Petit très grand

Au début des années 1980, les physiciens Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont mis au point le microscope à effet tunnel à balayage (STM) - et ont ainsi posé les bases de la microscopie à sonde à balayage (SPM). Son fonctionnement peut facilement être comparé à celui d'un tourne-disque : Semblable à une aiguille sur un disque, une sonde balaye la surface d'un échantillon, recueillant des informations sur sa nature. La microscopie à sonde à balayage utilise les interactions entre la sonde et l'échantillon, permettant ainsi des résolutions jusqu'à la gamme subatomique. Il en résulte des images très précises des plus petites structures, ce qui ne serait pas possible avec des méthodes optiques ou électrono-optiques telles que les microscopes à lumière ou à balayage électronique. Cela a ouvert de toutes nouvelles possibilités pour l'analyse, la recherche et le traitement des surfaces - l'avancée triomphale des nanosciences et des nanotechnologies a suivi son cours.

Le prix Nobel suisse comme pionnier

En 1986, les deux scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique pour leur invention. La même année, Gerd Binning, Calvin Quate et Christoph Gerber ont développé le microscope à force atomique (AFM), qui - contrairement au microscope à balayage à effet tunnel - peut également être utilisé pour étudier les matériaux non conducteurs. L'AFM utilise les forces atomiques qui se produisent entre la sonde et l'échantillon (y compris les forces de Van der Waals et les forces capillaires) et est maintenant le type de SPM le plus utilisé grâce à ses nombreuses applications possibles.

Prouvé sur Terre et sur Mars

L'un des principaux fabricants est la société suisse de haute technologie Nanosurf. La société suisse est spécialisée dans le développement de microscopes à sonde à balayage et propose des AFM et STM compacts, des systèmes de microscopes à force atomique de pointe pour les applications scientifiques ainsi que des solutions individuelles pour des exigences spécifiques. Dans le monde entier, les clients de l'industrie, de la recherche et de l'enseignement apprécient l'approche innovante, la modularité et la facilité de manipulation des produits. En 2007, un AFM de Nanosurf était également à bord de la sonde spatiale de la NASA "Phoenix" vers Mars et a aidé à rechercher la vie sur la planète rouge. Il va sans dire que ce n'était pas un modèle "sur étagère". Comprendre les besoins, y répondre et mettre au point une solution parfaitement adaptée - voilà l'une des forces de Nanosurf. La créativité des ingénieurs suisses a également été sollicitée pour le développement de deux solutions spécifiques aux clients pour l'examen de substrats de verre particulièrement grands. Les grandes tables de pierre nécessaires pour déplacer et maintenir l'AFM de Nanosurf ont été construites par Steinmeyer Mechatronik.

De Dresde au monde entier

Depuis plus de 145 ans, le nom de Steinmeyer Mechatronik est synonyme de qualité et de précision. En plus des produits standard, le développement de projets spéciaux individuels en particulier est l'une des compétences principales des spécialistes des systèmes de positionnement de haute précision basés à Dresde. En collaboration avec le client, l'entreprise développe des concepts innovants parfaitement adaptés à l'application concernée. C'est précisément cette compétence en matière de solutions que Nanosurf apprécie particulièrement chez les Saxons. "Avec Steinmeyer Mechatronik, nous avons à nos côtés un partenaire compétent dont la flexibilité et la richesse d'idées nous permettent de mettre en œuvre des produits uniques, même très complexes", déclare le Dr Björn Pietzak, responsable marketing de Nanosurf. Un autre point positif est que la société basée à Dresde s'occupe également de la logistique. Lorsque la table de positionnement est prête, les ingénieurs de Nanosurf se rendent à la mécatronique Steinmeyer, installent conjointement l'AFM et effectuent les tests nécessaires sur place. Depuis Dresde, le système fini est ensuite envoyé directement au client. "C'est un grand avantage pour nous", nous dit le Dr Pietzak. "Parce que nous ne pourrions même pas faire passer par la porte des tables aussi grandes que dans ce cas. C'est pourquoi la mécatronique Steinmeyer entre toujours en jeu pour nous lorsque les échantillons sont particulièrement gros et lourds".

Servi

Après tout, la plus grande des deux tables a des dimensions de 1,45 m × 2,2 m et pèse 2,25 tonnes. Les échantillons peuvent être examinés jusqu'à une largeur de 54 cm, une longueur de 1,5 m et une hauteur de 21 cm. Le poids maximal de l'échantillon est de 500 kg. Comme l'échantillon est fermement fixé sur la plate-forme, le système XYZ marque des points pour sa compacité et gère des distances de déplacement de 55 cm, 1,55 m et 5 cm. Un entraînement par courroie ainsi qu'un moteur pas à pas assurent le mouvement et permettent d'atteindre des vitesses allant jusqu'à 30 mm/s. En revanche, son petit frère semble presque mince, bien qu'il ait également des dimensions impressionnantes. Avec une taille de 53 × 59 cm et une hauteur de 47 cm, il est également extrêmement compact. La scène XYZ a une plage de déplacement de 15 × 27,5 cm sur le plan horizontal et de 5 cm sur le plan vertical et peut contenir des échantillons d'une taille maximale de 25 × 70 × 17,5 cm. À titre de comparaison, un échantillon "normal" d'AFM mesure généralement 1 × 1 cm et 1 mm de hauteur. Le système est entraîné par une broche et un moteur pas à pas. La table de 130 kg peut contenir des échantillons d'un poids maximum de 150 kg.

Les deux systèmes de portique sont faits de granit lourd pour résister au poids important des échantillons. Au-dessus d'une plate-forme d'échantillonnage en forme de U se trouve une traverse mobile qui contient le microscope à force atomique de Nanosurf. Cela permet à l'instrument de mesure de l'AFM - appelé cantilever, un ressort à lame élastique avec une pointe nanoscopique à l'extrémité - d'être précisément aligné et déplacé vers n'importe quel point de la forme en U. Lorsque le cantilever traverse le relief de la surface d'un échantillon, les forces d'attraction et de répulsion qui se produisent entre le cantilever et l'échantillon entraînent une déviation du ressort à lames. Celle-ci est détectée et enregistrée à l'aide d'un rayon laser. Il en résulte une image très précise. Pour cela, une résolution de 1 μm et une précision de positionnement de +/-5 μm, telles que fournies par les deux systèmes motorisés XYZ, sont essentielles.

Dans le silence se trouve le pouvoir

La particularité de la conception : la traverse se déplace sur des roulements à air spécialement développés. Il flotte pratiquement sur un espace d'air d'environ 5 μm d'épaisseur et fonctionne donc pratiquement sans contact et sans usure. Cela garantit une très longue durée de vie. Un autre avantage est qu'une rigidité extrême peut être obtenue à l'aide des paliers à air. Dès que la tête de mesure est mise en place, l'air est libéré des roulements et le système est fixé par sa précharge interne. Toute la masse de l'axe transversal repose alors également directement sur le granit de base, assurant ainsi une stabilité maximale. "C'est extrêmement important. Car lorsque l'AFM est stationnaire, elle ne doit pas bouger. Après tout, les différences de hauteur d'un nanomètre ou moins doivent être mesurées de manière reproductible", explique le Dr Pietzak. "Pour cela, l'AFM doit être atomiquement stable. Si elle oscillait, les résultats des mesures seraient inutilisables". Dans le cas de la grande table, six pieds ont également été montés sous le granit comme amortisseurs de vibrations supplémentaires pour protéger le système des vibrations du bâtiment.

Cette rigidité exceptionnelle n'était pas non plus monnaie courante pour Steinmeyer Mechatronik. "Nous n'aurions pas eu nous-mêmes l'occasion de prouver si nos tables répondaient même aux exigences élevées de rigidité", rapporte Reinhard Weihmann de Steinmeyer Mechatronik. Mais grâce à la coopération intensive avec Nanosurf et aux années d'expérience communes avec ces poids lourds, les spécialistes du positionnement basés à Dresde ont résolu ce défi. "Nous nous complétons parfaitement", dit le Dr Pietzak. "Nous faisons les calculs et Steinmeyer Mechatronik nous fournit le produit fini de haute qualité. C'est un excellent ajustement.