FR3119679A1 - Transducteur optomécanique - Google Patents

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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Caen Normandie
Universite dAngers
Ecole Nationale Superieure dIngenieurs de Caen
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Caen Normandie
Universite dAngers
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Abstract

L’invention concerne un transducteur optomécanique (1), comprenant : un diapason (2) en matériau piézoélectrique comprenant deux bras (3a, 3b),au moins un film photoactif (4) déposé partiellement sur au moins une partie d’au moins l’un des bras (3a, 3b) du diapason (2), l’au moins un film photoactif (4) comprenant des molécules photo-commutables, aptes à une commutation moléculaire entre une première configuration moléculaire et une deuxième configuration moléculaire en réaction à l’absorption de lumière d’une longueur d’onde définie, dite de photo-isomérisation, de sorte à ce que le film photoactif (4) soit soumis à un changement de forme, induisant une modification du coefficient de raideur du diapason (2). L’invention concerne également une sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence, ainsi qu’un tel microscope. Figure pour abrégé : [Fig. 1 (a) ]

Description

Transducteur optomécanique
La présente invention concerne un transducteur optomécanique comprenant un diapason en matériau piézoélectrique. Elle concerne également une sonde pour microscope à force atomique utilisant un tel transducteur, ainsi qu’un microscope à force atomique à modulation de fréquence mettant en œuvre un telle sonde.
Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui de la métrologie nanométrique de surface.
État de la technique
On connait des microscopes à force atomique (AFM pouratomic force microscope) utilisés pour réaliser des topographies de surfaces d’échantillons. Un exemple est l’AFM à modulation de fréquence (AFM-FM) permettant de cartographier la surface de l’échantillon sans contact en utilisant un seul système pour générer la fréquence de vibration de la sonde de l’AFM et la détection de sa modulation induite par la surface étudiée. Un AFM-FM est particulièrement adapté pour des échantillons mous ou collants, car il n’y a pas de risque que la pointe de la sonde reste accrochée à leur surface ou se casse.
Dans des domaines tels que la science des matériaux et la biologie, il est primordial de pouvoir caractériser finement la topographie des échantillons. Pour obtenir une bonne résolution avec un AFM-FM, il est nécessaire d’approcher la sonde à l’extrême proximité de la surface. Cependant, en raison de forces s’exerçant entre la surface et la pointe, la fréquence de vibration augmente de manière indésirable, engendrant une diminution de la résolution et l’impossibilité d’observer les détails topographiques d’échantillons.
Pour pouvoir étudier des échantillons aux propriétés variables (liquide, solide, visqueux, rigide, souple etc.), il est en général nécessaire de changer de pointe. En conséquence, il est impossible de réaliser une analyse topographique avec une résolution élevée et constante sur un échantillon contenant à la fois des phases liquides et solides par exemple, comme il est souvent le cas pour des systèmes biologiques ou des matériaux polyphasés (par exemple, des milieux cellulaires). La modification d’une pointe d’AFM ou AFM-FM pour mesurer ce type d’échantillons hétérogènes et/ou liquides est difficile à mettre en œuvre.
Il existe des techniques pour contrôler la fréquence de vibration de la sonde d’AFM-FM afin de se rapprocher de la surface à sonder. L’une de ces techniques inclut l’utilisation d’un élément piézoélectrique. Cependant, un équipement supplémentaire, par rapport au système de contrôle de l’AFM-FM, est nécessaire pour commander l’élément piézoélectrique, rendant la fabrication et l’implémentation d’une telle sonde complexes et coûteuses.
Le but de la présente invention est de disposer d’un transducteur optomécanique, notamment utilisable dans un AFM-FM, permettant de remédier à au moins un des inconvénients décrits.
Un but de la présente invention est de proposer un transducteur optomécanique dont le mouvement mécanique peut être ajustée de manière précise.
Un autre but de la présente invention est de proposer un transducteur optomécanique pouvant être mis en œuvre dans un microscope à force atomique à modulation de fréquence.
Il est encore un but de la présente invention est de proposer une sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence, comprenant un tel transducteur et permettant d’améliorer la résolution du microscope.
Au moins un de ces buts est atteint avec un transducteur optomécanique, comprenant :
  • un diapason en matériau piézoélectrique comprenant deux bras,
  • au moins un film photoactif déposé partiellement sur au moins une partie d’au moins l’un des bras du diapason,
l’au moins un film photoactif comprenant des molécules photo-commutables, aptes à une commutation moléculaire entre une première configuration moléculaire et une deuxième configuration moléculaire en réaction à l’absorption de lumière d’une longueur d’onde définie, dite de photo-isomérisation, de sorte à ce que le film photoactif soit soumis à un changement de forme, induisant une modification du coefficient de raideur du diapason.
Le transducteur selon l’invention met en œuvre un diapason. Un diapason a une fréquence de vibration de résonance caractéristique de ses propriétés géométriques et mécaniques, et notamment sa raideur. La fréquence de résonance peut également être modifiée par des forces extérieures.
Le transducteur selon l’invention permet de maîtriser le changement de la fréquence de résonance en modifiant le coefficient de raideur du diapason. Pour ce faire, au moins un film comprenant des molécules photo-commutables est déposé partiellement sur le diapason, de sorte à ce que le film est fixé en partie sur le diapason, l’autre partie du film restant libre.
Les molécules photo-commutables sont soumises à une modification structurale ou un changement de configuration sous l’action de lumière de longueur d’onde de photo-isomérisation, se traduisant par la déformation du film photoactif posé sur le diapason. En effet, la partie libre du film peut bouger sous l’effet de la lumière de photo-isomérisation. Ainsi, grâce à la partie déposée sur le diapason, le mouvement optomécanique est totalement couplé au diapason. Cette déformation permet de modifier le coefficient de raideur du diapason.
La variation du coefficient de raideur entraine la variation de la fréquence de résonance du diapason, et vice versa. La fréquence de résonance du diapason varie également en fonction de l'intensité de l’irradiation de photo-isomérisation. Ainsi, il est possible de moduler la fréquence de vibration du diapason de manière précise en temps réel selon l’application souhaitée du transducteur.
Un diapason est un composant peu coûteux et facile à fabriquer en grand nombre. Le matériau du film comprenant des molécules photo-commutables peut également être réalisé facilement en grande quantité en laboratoire de synthèse, sans le besoin d’installations ou équipements particuliers.
L’au moins un film photoactif peut être déposé sur le diapason par exemple sous forme de rubans ou fils, ou par exemple pardi p - coating(dépôt par trempage).
Un ou plusieurs films photoactif peuvent être déposés sur le diapason. Il est ainsi possible d’induire des changements de raideur différents, en fonction de la position des films sur le diapason.
A titre d’exemple, des morceaux ou rubans de film photoactif ont des dimensions de l’ordre du millimètre, par exemple 1-2 mm en largeur et 3-4 mm en longueur.
La lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation des molécules photo-commutables peut également être appelée irradiation de photo-isomérisation ou lumière de photo-isomérisation, ou équivalent, par la suite.
Le terme « optomécanique » signifie que l’énergie de la radiation lumineuse, à la longueur d’onde de photo-isomérisation, est transformée en énergie mécanique de chaque film photoactif, lorsque celui-ci se déforme.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’au moins un film photoactif comprend au moins une couche auto-assemblée comprenant des molécules photo-commutables.
Un système de molécules auto-assemblé se caractérise par le fait que les molécules sont organisées en couches. Cette auto-organisation permet d’augmenter l’effet de la photo-isomérisation et donc le degré de déformation du film photoactif.
Selon un exemple de mise en œuvre, l’au moins un film photoactif comprend un système moléculaire à base d’azobenzènes.
En effet, les azobenzènes sont des molécules dont la photo-commutation est bien maîtrisée.
Alternativement, les molécules photo-commutables peuvent inclure des composés tels que : spiropyrane, spiro-oxazine, diaryléthènes, etc.
Avantageusement, le système moléculaire à base d’azobenzènes peut être organisé en empilements moléculaires.
Le changement de forme d’un film photoactif peut se traduire par une ondulation, une torsion ou une flexion du film.
Selon un mode de réalisation, l’au moins un film photoactif peut être déposé sur le diapason au moyen d’un matériau adhérent.
Le matériau adhérent assure l’adhérence totale de la partie du film photoactif fixée sur le diapason, l’autre partie du film restant libre pour pouvoir bouger sous l’effet la lumière de photo-isomérisation.
Ce matériau adhérent peut être, par exemple, de la glycérine, ou un autre matériau adhérent très visqueux.
Selon des modes de réalisation, l’au moins un film photoactif est configuré pour reprendre sa forme initiale en réaction :
  • à l’absence de lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation ;
  • à la présence de lumière blanche ; et/ou
  • à la présence de chaleur.
Selon un autre aspect de la même invention, il est proposé une sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence, la sonde comprenant un transducteur photomécanique selon l’invention, dans lequel l’un des bras du diapason est configuré pour interagir avec des atomes d’une surface à sonder.
La sonde selon la présente invention peut être utilisée pour adapter des AFM-FM existants. Pour cela, il suffit de remplacer la sonde existante dans le microscope par la sonde selon la présente invention, par exemple en déposant des morceaux ou rubans d’un film photoactif sur la pointe de la sonde existante. Il faut également prévoir une source de lumière (et éventuellement des filtres) pour fournir l’irradiation de photo-isomérisation. Ceci permettrait notamment à ces AFM-FM de mesurer des échantillons liquides.
La rigidification du diapason suite au changement de son coefficient de raideur permet de rapprocher la sonde de la surface de l’échantillon à mesurer et donc de sonder des objets de plus faible dimension ou exerçant des forces d’interaction sonde-surface plus intenses. La résolution d’un AFM-FM peut donc être augmentée grâce à une telle sonde.
Selon un mode de réalisation, la sonde comprend en outre une pointe nanométrique fixée à l’extrémité de l’un des bras du diapason du transducteur, configurée pour interagir avec des atomes d’une surface à sonder.
Alternativement, l’extrémité d’un des bras du diapason peut servir de « pointe » pour interagir avec des atomes d’une surface à sonder.
De manière avantageuse, la fréquence de résonance du diapason varie en fonction de l'intensité de l’irradiation de photo-isomérisation. Ainsi, n’importe quel type d’échantillon peut être soumis à l’étude topographique sans changer de pointe. Ceci permet notamment des analyses topographiques sur des échantillons composés de liquide et de solide, par exemple des systèmes biologiques ou dynamiques, pour lesquelles la fréquence de résonance peut alors être adaptée en temps réel.
Avantageusement, la sonde selon la présente invention peut être miniaturisée, notamment en fabricant des nano- ou microfibres du matériau photoactif déposé sur le diapason.
Selon encore un autre aspect de la même invention, il est proposé un microscope à force atomique à modulation de fréquence, comprenant une sonde selon la présente invention, le transducteur étant attaché à une extrémité d’un levier.
Un tel microscope à force atomique à modulation de fréquence selon l’invention peut être mis en œuvre dans une multitude d’applications de métrologie de surfaces.
Il permet des mesures dans des liquides en adaptant le coefficient de raideur de la sonde aux interfaces liquides-solides sondés en temps réel. Des systèmes biologiques peuvent ainsi être aisément étudiés.
Des échantillons hétérogènes ayant des portions liquides et solides peuvent être mesurés avec la même sonde. Ceci est notamment important pour l’observation de matériaux en suspension ou des systèmes biologiques contaminés ou pollués par des particules.
Pour les mesures, l’amplitude du coefficient de raideur de la pointe peut être modulé. Par exemple, en mode non-contact, le taux de réflexion ou de transmission de lumière par la surface de l’échantillon peut être utilisé pour discriminer les matériaux de la surface, et ainsi moduler le coefficient de raideur de la pointe en fonction des matériaux.
Aussi, la mise en œuvre du transducteur selon la présente invention dans un AFM permet la réalisation, en mode réflexion, d’une cartographie de la surface d’un échantillon tout en discriminant les différents types de constituants d’un mélange en fonction de leur indice de réfraction. Actuellement, cette discrimination se fait en fonction de la dureté du constituant. Ainsi, les différents constituants peuvent être différenciés s’ils ont la même dureté, permettant l’amélioration de l’étude de composés en solution, comme en biologie.
Description des figures et modes de réalisation
D’autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
  • la montre une représentation schématique et une photographie d’un exemple de réalisation non-limitatif d’un transducteur selon l’invention ;
  • la montre un exemple de molécules d’azobenzène pouvant être synthétisées pour la préparation du film photoactif mise en œuvre dans un mode de réalisation de l’invention ;
  • la montre des représentations d’un exemple de couches auto-assemblées de molécules photo-commutables pouvant être mises en œuvre dans un mode de réalisation de l’invention ;
  • la représente un exemple de mise en œuvre d’un transducteur selon la présente invention ; et
  • la montre un exemple de mise en œuvre d’un transducteur selon un mode de réalisation de l’invention dans une sonde pour un microscope à force atomique.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures peuvent conserver la même référence.
La montre une représentation schématique (a) ainsi qu’une photographie (b) d’un transducteur photomécanique selon un mode de réalisation de l’invention.
Le transducteur 1, tel que représenté sur la (a), comprend un diapason 2 en matériau piézoélectrique. Sur l’un des deux bras 3a, 3b du diapason 2 est déposé un film photoactif. Une partie 4a du film est fixé sur le bras 3a du diapason 2, et l’autre partie 4b du film 4 reste libre.
Sur la (a), le transducteur 1 est représenté avec une embase 20.
Le diapason 2 est, de préférence, en quartz.
Le film photoactif 4 comprend des molécules photo-commutables. De tels molécules sont aptes à effecteur des commutations moléculaires entre une première configuration moléculaire et une deuxième configuration moléculaire en réaction à l’absorption de lumière d’une longueur d’onde définie, dite de photo-isomérisation. La deuxième configuration moléculaire entraine un changement de forme du film 4.
Tel qu’illustré sur la , le film photoactif 4 est déposé seulement sur une partie distale de l’un des bras 3a du diapason 2. Bien entendu, d’autres configurations sont possibles. Par exemple, le film 4 peut être déposé plus proche de la base du diapason 2, ou les deux bras 3a, 3b peuvent être pourvus d’un film 4. La géométrie du film 4 (longueur, largeur) est également variable.
Le film 4 est déposé sur le diapason 2 au moyen d’un matériau adhésif. Ce matériau adhésif est de type mou et visqueux. Il peut notamment comprendre de la glycérine.
Selon un mode de réalisation préféré, les molécules photo-commutables comprennent des motifs avec des azobenzènes.
Des exemples de deux molécules d’azobenzènes 1A, 1B pouvant être utilisées pour la préparation du film photoactif dans le cadre de la présente invention sont montrés sur la . Le film photoactif peut, par exemple, être en un matériau hybride à base d’azobenzènes alkoxysilanes. Les molécules sont représentées dans les deux configurations E et Z. La synthèse des molécules et la préparation d’un tel matériau sont décrites, par exemple, dans les documents S. Guo et al., RSC Adv., 2014, 4, 25319 ; S. Guo et al., J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 6989 ; et S. Guo et al., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 15434.
La commutation entre la configuration moléculaire E et la configuration moléculaire Z est induite par l’illumination des molécules avec une radiation à une longueur d’onde de photo-isomérisation. Dans le cas représenté sur la , cette longueur d’onde est de 345 nm.
La commutation entre l’isomère Z et l’isomère E est induite par de la lumière blanche.
Le système moléculaire à base d’azobenzènes se présente en des couches auto-assemblées. Cette auto-organisation des molécules permet un effet de déformation du film plus grand en présence de l’irradiation de photo-isomérisation. Un exemple de couches auto-assemblées 12 est représenté sur la (a). Dans cet exemple, 5 couches sont représentées. Une couche auto-organisée 12 de molécules d’azobenzène alkoxysilanes 1A, 1B est montrée en détail.
La (b) illustre schématiquement un film photoactif 4 comprenant des couches auto-assemblées d’azobenzènes, indiqué par une pluralité de couches 12. Le film 4 est montré sans (en haut) et avec (en bas) illumination à la longueur d’onde de photo-isomérisation.
Lorsque le film 4 est illuminé avec de la lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation (ici de la gamme UV), le film 4 se déforme en se courbant et se repliant sur lui-même, sous l’effet de la commutation moléculaire. En effet, le changement de configuration (E à Z) des molécules entraîne une augmentation du volume libre occupé par les molécules, ce qui se traduit par un allongement de la couche qu’elles composent. Comme le film 4 n’adhère au diapason que partiellement, la partie libre du film 4 se recourbe. Le diapason est alors soumis à un changement de son coefficient de raideur.
La déformation du film 4 persiste tant que la radiation de photo-isomérisation est incidente sur le film 4.
Lorsque l’illumination de photo-isomérisation cesse, le film 4 retrouve sa forme d’origine. Le film 4 peut notamment être exposé à de la lumière blanche. Ceci est illustré par la flèchehνdans la (b). Le film 4 peut également retrouver sa forme initiale sous l’effet de la chaleur.
Le mouvement qu’effectue le film 4 lors de la photo-isomérisation et lorsque celle-ci cesse est illustré sur la (a) par une flèche.
La (a) montre la dépendance de l’angle de courbure du film photoactif 4 de la puissance de l’irradiation de photo-isomérisation. Un angle de 0° correspond à un film 4 plan, sans aucune courbure ( (b)). D’autres exemples d’angles sont donnés à titre d’illustration. Plus l’intensité de l’irradiation est importante, plus la courbure du film est prononcée. Une plus grande courbure du film 4 entraine une plus grande augmentation du coefficient de raideur du diapason sur lequel le film 4 est déposé.
La fréquence de résonance du diapasonf 0dépend de sa massemainsi que de son coefficient de raideurkselon l’équation suivante :
Il est alors possible de varier la fréquence de résonance en variant le coefficient de raideur du diapason.
Ce mécanisme est particulièrement bénéfique lorsque le transducteur selon l’invention est mis en œuvre dans une sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence (AFM-FM). Le diapason est alors mis en vibration à sa fréquence de résonance qui est asservie. Lorsque le transducteur est approché de la surface à sonder, des forces s’exerçant entre une extrémité du diapason et la surface modifient la fréquence de vibration du diapason. Ce décalage de fréquence est utilisé pour reconstituer la topographie de la surface.
Pour augmenter la résolution de l’AFM-FM, il est nécessaire de diminuer la distance entre la surface à mesurer et la sonde. Ceci implique l’augmentation de la fréquence de vibrationfdu diapason due à l’apparition de forces répulsives, et notamment de type van der Waals. Pour compenser cet effet et garder la différence entre la fréquence de vibration et la fréquence de résonance petite, le coefficient de raideur et, par conséquent, la fréquence de résonance du diapason sont modifiés par la photo-isomérisation d’un ou plusieurs films photoactifs présents sur celui-ci. Ainsi, la distance entre le diapason et la surface à sonder peut être diminuée.
En effet, la rigidification du diapason permet au transducteur de s’approcher plus près de la surface à sonder, et d’obtenir une meilleure résolution pour détecter des structures plus petites.
La montre un exemple de mise en œuvre d’un transducteur 1 selon un mode de réalisation de l’invention dans une sonde pour un AFM-FM. Lorsque le film photoactif 4 n’est pas illuminé, le diapason 2 peut être rapproché à la surface 13 de l’échantillon jusqu’à une distance d_D-E,1, et lorsqu’il est illuminé à la longueur d’onde de photo-isomérisation, le diapason 2 peut être rapproché à la surface 13 de l’échantillon jusqu’à une distance d_D-E,2< d_D-E,1. On constate que l’amplitude 15 de la distance Z pour le film illuminé est plus grande que l’amplitude 14 de Z pour le film non-illuminé. Ceci permet donc d’obtenir une mesure de la surface de l’échantillon avec une plus grande résolution.
Selon un mode de réalisation, une sonde selon la présente invention pour un AFM-FM comprend un transducteur optomécanique comme décrit ci-dessus. Une extrémité du diapason, et notamment au moins l’extrémité de l’un de ses bras interagit alors avec des atomes de la surface à sonder, comme illustré sur la .
Selon un autre de mode de réalisation, la sonde selon la présente invention peut comprendre en outre une pointe nanométrique fixée à l’extrémité de l’un des bras du diapason du transducteur. C’est alors la pointe nanométrique qui interagit avec les atomes de la surface à sonder.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.

Claims (9)

  1. Transducteur optomécanique (1), comprenant :
    • un diapason (2) en matériau piézoélectrique comprenant deux bras (3a, 3b),
    • au moins un film photoactif (4) déposé partiellement sur au moins une partie d’au moins l’un des bras (3a, 3b) du diapason (2),
    l’au moins un film photoactif (4) comprenant des molécules photo-commutables, aptes à une commutation moléculaire entre une première configuration moléculaire et une deuxième configuration moléculaire en réaction à l’absorption de lumière d’une longueur d’onde définie, dite de photo-isomérisation, de sorte à ce que le film photoactif (4) soit soumis à un changement de forme, induisant une modification du coefficient de raideur du diapason (2).
  2. Transducteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) comprend au moins une couche auto-assemblée (12) comprenant des molécules photo-commutables.
  3. Transducteur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) comprend un système moléculaire à base d’azobenzènes.
  4. Transducteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) est déposé sur le diapason (2) au moyen d’un matériau adhérent.
  5. Transducteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau adhérent comprend de la glycérine.
  6. Transducteur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) est configuré pour reprendre sa forme initiale en réaction :
    • à l’absence de lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation ;
    • à la présence de lumière blanche ; et/ou
    • à la présence de chaleur.
  7. Sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence, la sonde comprenant un transducteur optomécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’un des bras (3a, 3b) du diapason (2) est configuré pour interagir avec des atomes d’une surface (13) à sonder.
  8. Sonde selon la revendication précédente, comprenant en outre une pointe nanométrique fixée à l’extrémité de l’un des bras (3a, 3b) du diapason (2) du transducteur, configurée pour interagir avec des atomes d’une surface (13) à sonder.
  9. Microscope à force atomique à modulation de fréquence, comprenant une sonde selon la revendication 7 ou 8, le transducteur (1) étant attaché à une extrémité d’un levier.
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