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Dernière mise à jour : février 2010
La métrologie à l'échelle nanométrique fait appel à de multiples grandeurs et à des domaines de compétences variés. Le LNE a choisi de privilégier trois axes de développement : les mesures granulométriques de nanoparticules aérosols ; les mesures magnétiques à petite échelle et les mesures dimensionnelles d'objets structurés. Ces travaux permettront aux industriels de raccorder leurs instrumentations au SI. Ainsi, les processus dans les industries de l'électronique ou de la cosmétique bénéficieront d'un meilleur raccordement de leurs mesures, améliorant de fait la maîtrise de leurs procédés de fabrication. Les effets des nanoparticules sur la santé pourront également être mieux appréciés.
Microscope à force atomique
Le LNE est chargé de développer une expertise nationale dans le domaine de la nanométrologie dimensionnelle. En France, de nombreux industriels, laboratoires et instituts de recherche utilisent couramment des microscopes à champs proche qu'ils ont besoin d'étalonner périodiquement. Ce raccordement à l'unité de longueur de base se réalise par le biais d'échantillons de référence - des réseaux périodiques 1D ou 2D - dont les caractéristiques dimensionnelles sont évaluées par un LNM (laboratoire national de métrologie).
Actuellement, en France, aucun organisme n'est capable de réaliser l'étalonnage de ces étalons secondaires : en conséquence, les utilisateurs se tournent vers les LNM étrangers pour réaliser les raccordements qui leur sont indispensables. Dans ce contexte, le LNE développe actuellement un AFM (Atomic Force Microscope) métrologique petite course dont les mesures sont traçables au mètre. Les courses envisagées sont de l'ordre de 100 µm pour les axes XY et 10 µm pour l'axe Z, avec une incertitude sur la mesure de la position relative de la pointe par rapport à l'échantillon de l'ordre du nanomètre.
Contact : Sébastien Ducourtieux
Ces dernières années apparaissent des dispositifs nouveaux liés à l'enregistrement magnétique haute densité, aux têtes de lecture/écriture de disque dur, aux capteurs magnétorésistifs, aux mémoires RAM magnétiques (MRAM). Des investigations plus prospectives ont aussi été entreprises au cours de la décennie écoulée sur des systèmes tirant parti de la magnétorésistance géante et ouvrant la voie à l'électronique de spin (Prix Nobel d'Albert FERT 2008).
Dans ce contexte, l'étude et la caractérisation des systèmes nanomagnétiques est un challenge à relever pour la métrologie européenne. Les laboratoires nationaux de métrologie doivent développer des outils ultra-sensibles à sondes locales permettant de caractériser les propriétés magnétiques de ces nouveaux matériaux ce qui nécessite souvent d'atteindre des résolutions inférieures aux limites actuelles. De plus, les mesures doivent être traçables et facilement exprimées en unités SI.
Dans le cadre du projet européen NANOSPIN (durée 3 ans), le LNE a décidé de développer un outil métrologique fondé sur un microscope à sonde locale de Hall fonctionnant à température ambiante. Cet instrument permettra une caractérisation topologique et magnétique simultanée des surfaces (couches minces ou nanoparticules réparties sur une surface) tout en assurant une traçabilité des mesures dimensionnelles et magnétiques dans un environnement à 300 K. Sa réussite repose sur la capacité à intégrer à un AFM traçable dimensionnellement une nano-sonde de Hall étalonnable. Pour atteindre cet objectif métrologique, le LNE développe des échantillons lithographiés intégrant une croix de Hall (nanofabrication en collaboration avec le LPN et orientation possible vers le graphène) pour la mesure du champ magnétique normal local et une pointe AFM (ou STM) pour la topologie de la surface, en associant éventuellement une bobine étalon calculable autour de la sonde afin de l'auto-étalonnée.
Contact : Nicolas Feltin
La mesure de nanoparticules (10-100 nm de diamètre) dispersées dans l'air est un enjeu de santé publique. Les moyens de mesures utilisés jusqu'à aujourd'hui et la métrologie associée ne sont pas toujours adaptés aux particules ultra-fines (<100 nm). Il est donc nécessaire de développer une métrologie nouvelle.
Dans ce contexte, le LNE travaille sur l'amélioration d'un banc de mesure fondé sur l'utilisation d'un SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer), dédié à la caractérisation de particules ultra-fines en aérosols. Cet instrument commercial est le plus utilisé à ce jour pour mesurer la granulométrie de particules ultra-fines. Il couple un DMA (Differential Mobility Analyser) permettant de sélectionner des particules en suspension dans le gaz suivant leur mobilité électrique et un CNC (Compteur à Noyau de Condensation) placé en aval ayant pour rôle la détection des particules sélectionnées. La distribution granulométrique de l'aérosol prélevé est finalement calculée à partir du nombre de particules détectées par le CNC et de la fonction de transfert du DMA en utilisant une technique d'inversion de données. A ce jour, bien que les SMPS soient souvent considérés comme des instruments de référence, on ne connaît pas l'incertitude associée à une mesure de distribution granulométrique.
Réalisé en collaboration avec l'IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire), ce projet vise notamment à identifier les différentes composantes d'incertitudes sur la mesure d'une distribution granulométrique avec un SMPS et à évaluer l'incertitude sur la distribution granulométrique et ses principaux paramètres (diamètre médian et écart-type géométrique). Il s'attachera à déterminer les influences des incertitudes sur la loi de charge des particules, sur les comptages par le CNC et la présence de particules portant des charges multiples.
Contact : Tatiana Macé
Dans le domaine de la santé, établir des diagnostics précoces et diposer d'outils performants pour améliorer le suivi du patient lors des interventions chirurgicales sont des préoccupations importantes. Ceci nécessite des dispositifs de plus en plus sensibles et capables de visualiser l'évolution des molécules au cours du temps. Les méthodes actuelles souffrent d'un manque de sensibilité et ne permettent pas d'observer le changement d'état des molécules dans un mode de fonctionnement dynamique. Dans un tout autre domaine, celui de l'environnement, les normes sur la qualité de l'eau vont se durcir. Les mesures réalisées sur le terrain vont donc requérir des appareils portables de plus grande sensibilité que ceux existants actuellement.
Dans ce contexte le LNE, en collaboration avec l'ENS Cachan met au point un nouveau dispositif, combinant un capteur avec une méthode d'interrogation optique. Le biocapteur développé est de type microrésonateur (guide droit servant d'entrée et de sortie de la lumière, couplé à une cavité résonante permettant d'amplifier le signal) en polymère. La méthode d'interrogation est de type interférométrique.
Contact : Anne-Françoise Obaton
Nanoparticules
Les matériaux utilisés pour répondre à des critères de performance en réaction au feu impliquent l'utilisation d'additifs améliorant leur comportement. Pour répondre aux spécifications nouvelles en termes de choix des matériaux, de nouveaux systèmes d'amélioration du comportement au feu des polymères basés sur l'introduction de nanocharges peuvent ainsi devenir une alternative aux voies traditionnelles. Dans ce contexte évolutif, l'alternative apportée par les nanocharges doit être évaluée et confrontée en termes d'impact environnemental par rapport aux systèmes traditionnels.
L'objectif du projet Nanofeu consiste à étudier le comportement au feu de polymères comportant des nanoparticules (en présence ou non de constituants retardateurs de flamme conventionnels). Il s'agit d'apprécier à la fois les paramètres gouvernant l'émission des nanoparticules ainsi que les modifications de composition des produits gazeux émis en comparaison de polymères seuls ou de polymères comportant des systèmes retardateurs de flamme conventionnels. Un autre aspect est la nécessité de connaître les transformations morphologiques subies par les nanoparticules lors de la combustion
Contact : Eric Guillaume
Surface de SiC dépolie par polissage
mécano-chimique
testé pour sa rugosité
A l'échelle nanométrique, il n'existe pas d'étalons de rugosité (surfaces aléatoires de référence). Avec les nouveaux développements dans le domaine des nanosciences et des moyens de caractérisation associés, ce manque se doit d'être comblé. En effet, en absence d'étalons et/ou de normalisation, les mesures comparatives de rugosité de surface menées par différentes équipes nationales et internationales ont révélé la possibilité d'un désaccord entre les résultats, notamment lorsque les dispositifs impliqués ne s'appuient pas sur un même principe physique, et où les grandeurs d'influence ne sont pas identiques. Ceci est d'autant plus vrai que les surfaces étudiées ne sont pas homogènes. La notion de rugosité ne peut qu'être attachée à une résolution spatiale latérale ou verticale, ce qui doit amener à étudier l'aspect multi-échelle des surfaces. Nous montrerons comment les notions de "spectre de rugosité" ou de densité spectrale de puissance (DSP), sont des notions liées à la surface de l'objet, donc plus représentatives de la rugosité superficielle.
Cette étude vise à définir des surfaces de référence et les procédures d'usinage/polissage appropriées, en vue de réaliser des étalons de rugosité à l'échelle nanomètrique, avec un quasi-continuum de fréquences spatiales, et présentant un état de contamination contrôlé. Elle définira également les conditions de conservation et de traitement qui devront être appliquées. La complémentarité des dispositifs concernés par ce projet sera également mise à profit pour déterminer le lien entre images en champ proche optique et mesures en champ lointain. La finalité étant de décorréler les effets optiques et topographiques et comprendre l'effet de la rugosité sur la dépolarisation de la lumière.
Contact : Sébastien Ducourtieux
Observation d'un virus à l'échelle nanométrique
Le LNE contribue à la caractérisation de matériel biologique à l'échelle nanométrique en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Dans un premier temps, l'étude consiste à déterminer la taille et la forme de virus d'environ trente nanomètres, centre d'intérêt des partenaires du LNE (CHRU Lille, ENSAM, et INRIA). Ces travaux, visent à tirer un maximum d'information sur le virus étudié, et à pousser l'AFM à ses limites permettant ainsi d'améliorer la résolution de l'instrument en développant de nouvelles méthodes de traitement du signal basées sur les méthodes ALIEN. Il sera alors possible de mettre en évidence en temps réel des propriétés physiques et biologiques. Cette thématique très originale en Europe, doit permettre de faire évoluer significativement le front de la connaissance en virologie fondamentale et la résolution des AFM pour la biologie.
Contact : Sébastien Ducourtieux
