Manipulation de liquide par microscopie à force atomique : méthode, applications et mécanismes de dépôt

Liquid manipulation by atomic force microscopy : method, applications and deposition mechanisms

• Auteur / Autrice : Laure Fabié
• Direction : Thierry Ondarçuhu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capillarité

Mouillage (chimie des surfaces)

Liquides

Microtechniques

Mots clés libres

Nanolithographie

Liquide

Mouillage

Capillarité

Résumé

La réalisation de dispositifs utilisant des nano-objets comme briques élémentaires nécessite des méthodes efficaces de dépôt contrôlé. C'est dans ce contexte que la technique NADIS (Liquid NAnoDISpensing) a été récemment développée. Elle consiste à déposer une solution liquide avec une pointe de microscope à force atomique dont l'apex est percé d'un nanocanal réalisé par faisceau d'ions focalisés. Le transfert est accompli par capillarité à travers cette ouverture lors du contact de la pointe sur la surface. L'optimisation de la technique nous a permis de déposer des volumes de l'ordre du femto- (10-15 L) ou de l'atto-litre (10-18 L) correspondant à une résolution ultime de 40 nm. La flexibilité de la méthode en termes de matériaux déposés a été démontrée par différents systèmes : des réseaux de spots de différentes protéines ont été créés et analysés par microscopie à fluorescence ; des nanoparticules ont été utilisées pour démontrer le dépôt d'objets individuels ; des nanogouttes de liquide ionique ont permis d'assurer la connexion fluidique de nanocanaux biologiques individuels. Ces exemples démontrent que la précision de la lithographie à sonde locale combinée à la manipulation de liquide fait de NADIS une technique performante et flexible qui peut donner lieu à de nombreuses applications en nanosciences. Au-delà de la structuration de surface, NADIS est un outil unique de manipulation de liquide à l'échelle sub-micrométrique qui a été mis à profit pour réaliser des expériences modèles de capillarité et de mouillage à ces dimensions : La force capillaire exercée sur la pointe par le nanoménisque durant le dépôt a été analysée en détail. Une méthode de simulation des courbes de force a été élaborée et a permis de reproduire l'ensemble des résultats expérimentaux, mettant en évidence une grande variété de comportements. Cette étude a donné des indications importantes sur le mécanisme de transfert du liquide, tout en fournissant un contrôle en temps réel du dépôt. L'étude de la taille des dépôts (spots ou lignes) a permis d'observer la dynamique d'étalement de liquide à l'échelle sub-micrométrique et pour des temps de l'ordre de la milliseconde, régime difficilement accessible par d'autres méthodes. Un modèle a été proposé pour interpréter les résultats expérimentaux, en particulier la loi de puissance r ~ t0,25 mise en évidence aux temps courts. Il reproduit quantitativement l'influence des différents paramètres validant ainsi un régime original d'étalement à pression constante.

The fabrication of devices using nano-objects as building blocks requires efficient methods of controlled deposition. NADIS (Liquid NAnoDISpensing) was recently developed in this context. It consists in dispensing a liquid solution with an atomic force microscope tip presenting a nanochannel drilled by focused ion beam at its apex. The liquid transfer is performed by capillarity, through this aperture, during the contact of the tip onto the substrate. The optimisation of the technique allowed depositing volumes in the femto- (10-15 L) to atto-liter (10-18 L) range corresponding to an ultimate resolution of 40 nm. The versatility of this method in terms of deposited materials has been demonstrated on different systems: spot arrays of various proteins created and analysed by fluorescence microscopy, nanoparticles patterns showing single objects deposition, ionic liquid nanodroplets used to connect biological nanochannels. These applications demonstrate that, by combining the precision of the scanning probe lithography with the direct manipulation of liquid solutions, NADIS is an efficient and versatile technique enabling many applications in nanosciences. Beyond surface patterning, NADIS is a unique tool to manipulate liquid at sub-micron scale, used to realize model experiments on capillarity and wetting at these dimensions. The capillary force exerted on the tip by the nanomeniscus during the retraction was studied in detail. A simulation method was developed and permitted to reproduce all the experimental results, highlighting a large variety of behaviours. This study gave important insight into the liquid transfer mechanism while providing a real time control. The analysis of the deposit (spots or lines) size has allowed observing the liquid spreading dynamics at sub-micron range and for millisecond time scale, regime hardly accessible with other methods. A model has been proposed to interpret the experimental results, in particular the power law r ~ t0,25 observed at short times. It reproduced quantitatively the influence of the different experimental parameters, showing an original regime of spreading at constant pressure.