Un Nouveau Préamplificateur pour mieux « voir » les Atomes !

Un Nouveau Préamplificateur pour mieux « voir » les Atomes !
Les microscopes à sonde locale, nés aux débuts des années 80 et couronnés par le
Prix Nobel de Physique en 1986, ont bouleversé les sciences de l’infiniment petit. Ces
nouveaux outils permettent aujourd’hui de scruter et de manipuler la matière atome par atome.
[1]
Les deux principaux instruments atteignant une telle résolution sont le microscope à effet
tunnel (Scanning Tunneling Microscope (STM) en anglais) se basant sur la mesure du courant
tunnel entre une pointe et un échantillon conducteur, et le microscope à force atomique (Atomic
Force Microscope (AFM) en anglais) utilisant toujours une pointe nanométrique pour mesurer
les forces d’interaction à proximité d’un échantillon isolant ou conducteur. L’omniprésence de
ces microscopes dans les laboratoires scientifiques (en physique, mais aussi en chimie et en
biologie) a pu être possible grâce aux progrès faits en instrumentation et en traitement du signal
au cours de ces vingt dernières années.
Le point clé de la chaîne de mesure est le préamplificateur se trouvant entre la sonde
nanométrique scrutant la surface et l’électronique de commande. De nombreux travaux ont été
menés pour améliorer le rapport signal sur bruit et la bande passante de ce préamplificateur.
Aujourd’hui, les limites des préamplificateurs basés sur un circuit transimpédance couranttension sont atteintes.
Au sein de notre groupe, nous utilisons un nouveau type d’AFM utilisant de façon
originale et inédite un résonateur piézoélectrique comme sonde de détection. La
préamplification, réalisée avec un circuit transimpédance pour analyser les variations
d’oscillation du résonateur, nous a déjà permis d’observer différents matériaux à l’échelle
[2,3]
atomique ainsi que des assemblages moléculaires . Afin de repousser les limites de cet outil,
nous souhaitons repenser la méthode de préamplification en remplaçant le classique circuit
transimpédance. L’idée est d’augmenter à la fois le rapport signal sur bruit ce qui améliore la
sensibilité de détection du microscope, et la bande passante en fréquence pour pouvoir utiliser
des résonateurs piézoélectriques à hautes fréquences.
Ce travail de stage de quatre mois débutera d’abord par une étude des solutions de
remplacement du préamplificateur transimpédance déjà présent sur le microscope, certaines
pistes ont déjà été étudiées par notre groupe. Ces solutions qui nécessitent des composants
analogiques et numériques pourront être simulées numériquement par un moteur SPICE afin
d’optimiser le choix des composants. Des tests sur table pourront valider l’utilisation des
composants. L’objectif du stage est de réaliser une carte électronique qui valide le concept et
cerne les performances du nouveau circuit de préamplification.
Le candidat s’engagera à respecter la clause de confidentialité CEA relative à ce projet.
Ce stage ingénieur est financé à hauteur de 1300€ par mois.
Bibliographie:
[1] Franz J. Giessibl, “Advances in atomic force microscopy”, Review of Modern Physics 75,
949-983 (2003), http://arxiv.org/abs/cond-mat/0305119
[2] L. Pham Van, V. Kyrylyuk, J. Polesel-Maris, F. Thoyer, C. Lubin, J. Cousty, "Experimental 3dimensional description of the liquid hexadecane/graphite interface”, Langmuir 25,(2009) 639
[3] L. Pham Van, V. Kyrylyuk, F. Thoyer, J. Cousty, "A stabler non contact atomic force
microscopy imaging using a tuning fork for air and liquid environments: The zero phase mode
atomic force microscopy", J. Appl. Phys. 104, (2008) 074303
Laboratoire d’accueil: CEA Saclay, DSM/IRAMIS/SPCSI/LISO, 91191 Gif-sur-Yvette
http://iramis.cea.fr/spcsi/
Encadrants: Dr. Jérôme Polesel Maris ([email protected] , Tél.: +33 (0)1 6908 25 47 ) et
Dr. Jacques Cousty ( [email protected] , Tél.: +33 (0)1 6908 41 48 ).