Morphologie 3D et propriétés mécaniques des nanoparticules - AFM

L'AFM en mode Peak Force : vers la morphologie 3D des nanoparticules !


 

Les nanoparticules sont présentes partout et de nombreuses innovations dans divers domaines se basent sur ces composés bien particuliers. Depuis plusieurs années, la réglementation française s’y intéresse de près et essaye d’encadrer leur usage dans les différents produits de consommation au sein desquels nous pouvons les retrouver. La grande difficulté dans ce processus de contrôle repose sur la large variété de nanoparticules existantes qui peuvent différer aussi bien par leur forme, taille, ainsi que par leur composition chimique et propriétés physicochimiques. La première étape de ce travail consiste en la définition précise de ces différents facteurs, le plus communément admis aujourd’hui concerne leur taille.

L’Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS) distingue à ce sujet les nanoparticules des nanomatériaux. Une nanoparticule est une particule dont les trois dimensions sont comprise entre 1 et 100 nm.


En ce qui concerne les nanomatériaux, l'INRS les définit comme « un matériau dont au moins une dimension externe est à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire comprise entre 1 et 100 nm ou qui possède une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique » (définition retrouvée dans la norme ISO TS 80004-1). La Commission européenne quant à elle considère une concentration seuil de 50 % de nanoparticules pour définir un nanomatériau.

Même si la définition des nanoparticules n’est pas encore complétement arrêtée, tous les acteurs de ce domaine s’accordent pour considérer la composante "taille" comme le facteur le plus pertinant pour définir ces éléments.

 

Jusqu'à aujourd'hui, plusieurs méthodes de caractérisation ont été éprouvées à ce sujet : granulométrie laser, PTA, DLS… Ces dernières sont à oublier comme outil de caractérisation de la taille ainsi que de la distribution en nombre. C’est en effet celle-ci qui nous intéresse et non la distribution en masse ou volume.

Les seules analyses envisageables sont celles relatives à la microscopie : MEB, MET, AFM sont à considérer.


La Microscopie à Force Atomique (Atomic Force Microscopy " AFM ") est une technique permettant de visualiser avec une résolution nanométrique la morphologie tridimensionnelle de la surface d’un matériau, et de cartographier certaines de ses propriétés (adhésives, mécaniques, magnétiques, électriques, …). Le principe de l’AFM repose sur la mesure des différentes forces d’interaction (forces de répulsion ionique, forces de Van-der-Waals, forces électrostatiques, etc…) entre les atomes de la surface de l'échantillon à observer et les atomes d’une pointe-sonde nanométrique, fixée sous un microlevier souple.

TESCAN ANALYTICS possède une expertise de près de 30 années dans l'utilisation de l'AFM et de ses différents modes sur tous types de matériaux. Avec des instruments de dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.


Objectif de l'analyse


Identification de la morphologie, mesure de la taille de nanoparticules sphériques de Silicium et détermination de leurs propriétés mécaniques.
 


Préparation des échantillons


Les nanoparticules ayant une très forte tendance à s'agglomérer, il est nécessaire de les disperser sur un substrat fonctionnalisé afin d'assurer la tenue de ces dernières sur l'échantillon lors du passage de la pointe.
Une fois cette étape réalisée, la solution contenant les NPs est déposée sur le substrat pour l’obtention d’une monocouche de nanoparticules parfaitement réparties.


Résultats

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Figure 1 : Image 2D, 3D - Distribution en nombre - Identification des NPS
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Figure 2 : Image 2D, 3D - Module d'Young par particule

 

La mesure de la taille des nanoparticules se fait par la mesure de leur hauteur. En effet, compte tenu de la convolution entre la pointe de l’AFM et les nanoparticules, la mesure directe du diamètre conduirait à une surestimation de ce dernier. Or la hauteur d’une nanoparticule posée sur la surface, en considérant qu’elle est parfaitement sphérique, est égale à son diamètre.

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En Figure 1, l'AFM permet l'obtention de la morphologie des nanoparticules en 2D et en 3D. A l'aide d'un logiciel de traitement d'image, les nanoparticules individuelles sont selectionnées et leur hauteur maximale mesurée.
Dans cet exemple, la distribution en nombre des hauteurs des nanoparticules de Silicium est centrée entre 82 et 85 nm.
 

En Figure 2, le mode Peak Force QNM permet, à l’aide d’une pointe diamant fixée sur un microlevier de raideur égale à 250 N/m, de mesurer le module d’Young de nanoparticules de Silicium dont le diamètre est de 80 nm environ. La mesure du module se fait sur le sommet des particules et donne dans cet exemple un module moyen de 16,2 Gpa.

La forme observée des nanoparticules illustre la convolution entre la pointe et les particules. En effet, la pointe diamant est plus « grosse » qu’une pointe AFM classique, ce qui implique que les problèmes de convolution sont plus visibles.


Résumé


Dans cet exemple, il a été démontré que l'AFM est un outil de microscopie adaptée à la mesure des dimensions d'intérêt de nanoparticules sphériques.

L'AFM permet la détermination de la distribution en nombre de la hauteur de nanoparticules sphériques.

L'AFM permet également la mesure des propriétés mécaniques des objets nanométriques, comme cela a été montré ci-dessus avec des nanoparticules.
 

Dans d’autres travaux, il a été montré que l'AFM est une technique optimale pour la définition de la morphologie 3D de nanomatériaux de toutes formes. 

Pour plus d'applications d'analyse par AFM ou par nos autres techniques, demandez-nous des informations.

D'autres techniques complémentaires peuvent être utilisées pour étudier la taille et la forme des nanoparticules (MET, MEB) et pour analyser leur composition chimique comme l'EDX, l'XPS et le ToF-SIMS.