Mesures électriques locales par AFM en mode intermittent - Application à la spintronique moléculaire et valorisation - – MELAMIN

Les mesures électriques locales en microscopie à force atomique (AFM) sont devenues un outil incontournable, aussi bien pour la caractérisation de matériaux, structures et dispositifs à une échelle de plus en plus réduite, que pour des études à caractère plus fondamental des propriétés de nanostructures et nano-objets. C’est la raison pour laquelle les partenaires du consortium (LGEP, UMPhy CNRS-Thales, CSI) avaient proposé dans le cadre de l’appel 2006, un projet "ALICANTE" centré sur un instrument, le "Résiscope", permettant de réaliser l’imagerie électrique locale en mode contact sur une très large gamme de résistance. Ce projet, qui s’est achevé en septembre 2010, a vu ses trois objectifs pleinement atteints : les performances instrumentales de l’appareil ont atteint plus de 11 décades, ce qui est unique au niveau mondial ; une application originale de nanolithographie sub-10nm a été développée, donnant lieu à de nombreux travaux de recherche de haut niveau (Garcia Nature 2009, Bernand Nature Phys 2009, Barraud Nature Phys 2010, Ruotolo Nature Nano 2009); enfin, la mise au point d’une version commerciale a abouti à la mise sur le marché réussie de l’instrument fin 2009. L’ANR a salué dans son appréciation finale un projet qui « constitue une référence en termes de réalisations scientifiques et de transfert industriel ».

Même si l’extrême sensibilité du Résiscope permet d’opérer avec une très faible force d’appui pointe/surface, cette force reste exercée en continu tout au long du balayage (mode contact), ce qui peut endommager les échantillons mous. L'objectif principal du présent projet est donc de modifier l’appareil afin de pouvoir travailler en mode contact intermittent et ainsi élargir son champ d’applications à l'étude de matériaux mous (électronique moléculaire, biologie…), ou de nano-objets fragiles et/ou faiblement ancrés, pour lesquels on constate un fort accroissement de la demande de caractérisations électriques locales. Cet objectif se situe donc bien au-delà d’une nouvelle amélioration des performances : il s’agit d’une révision en profondeur des principes de l’instrument, permettant son adaptation à des conditions opératoires radicalement différentes et beaucoup plus complexes.

Dans la continuité de la philosophie du projet ALICANTE, ce projet s’articule autour de 3 axes : un fort cœur de développement instrumental conduit par le LGEP (partenaire 1 et coordinateur), laboratoire à l’origine de l’actuel Résiscope, couplé à un axe applicatif ambitieux centré sur une recherche de pointe sur les matériaux moléculaires, porté par l’UMPhy (partenaire 3), qui motive les avancées instrumentales et bénéficiera largement de leurs retombées, et un axe de valorisation, porté par la TPE CSI (partenaire 2), dans un secteur très concurrentiel et en rapide évolution comme celui de la microscopie en champ proche. Un module Résiscope optimisé pour le mode intermittent sera d’abord obtenu par une succession de modifications du module actuel (LGEP). A l’issue de ces développements, les différents points clés de conception d’un nouveau module dédié aux mesures en mode intermittent guideront le développement du nouveau module IC-Résiscope (Intermittent Contact Resiscope), constituant l’étape la plus innovante du projet. Les résultats feront l’objet d’un transfert de technologie à CSI qui réalisera des prototypes intégrés des différents modules. Ces prototypes permettront de disposer au plus tôt de versions commerciales. Tout au long du projet, les évolutions instrumentales seront validées par des essais menés en partenariat avec l’UMPhy aussi bien sur des échantillons de référence réalisés spécifiquement (couches moléculaires ultra-minces) que sur des échantillons de recherche en spintronique moléculaire. L’étude d’échantillons « recherche » par l’UMPhy permettra d’élargir le champ d’évaluation de l’instrumentation tout en bénéficiant de progrès instrumentaux susceptibles de donner lieu à des avancées scientifiques de premier plan.