Faculté des sciences

Atomic force microscopy for charaterizing dust particles of the martian arctic soils

Parrat, Daniel ; Staufer, Urs (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2007 ; Th. 2055.

Cette thèse traite du développement, de la fabrication et de la caractérisation d'un microscope à force atomique (AFM) pour l'exploration de la planète Mars. A bord de la mission Phoenix, cet instrument devrait recueillir prochainement de précieuses informations sur la taille et la forme de fines particules de poussière présentes à la surface de Mars et en suspension dans l'atmosphère.... Plus

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    Résumé
    Cette thèse traite du développement, de la fabrication et de la caractérisation d'un microscope à force atomique (AFM) pour l'exploration de la planète Mars. A bord de la mission Phoenix, cet instrument devrait recueillir prochainement de précieuses informations sur la taille et la forme de fines particules de poussière présentes à la surface de Mars et en suspension dans l'atmosphère. La microscopie à force atomique est une technique d'imagerie tridimensionnelle permettant d'établir avec une très haute résolution la topographie de l'échantillon mesuré. Elle se base sur la détection des forces atomiques agissant entre l'échantillon et une pointe microscopique balayée sur celui-ci. Grâce à sa formidable résolution, cette technique est utilisée dans des nombreuses applications, allant de l'industrie des semi-conducteurs à la biologie. La taille d'un AFM, sa relative fragilité et sa complexité d'utilisation ne favorise pas intrinsèquement son utilisation dans l'espace. Grâces aux progrès technologiques dans le domaine des microsystèmes, un maximum de fonctionnalité a pourtant pu être incorporé dans un instrument de taille très modeste.L'AFM présenté dans cette dissertation est basé sur un modèle antérieur présentant quelques problèmes de balayage à basse température. Grâce à un système de suspension en polyimide, un matériau connu pour sa stabilité en température, ce problème a été résolu pour le nouvel instrument. Des déformations non linéaires du plan de balayage ayant été observées, un logiciel de correction a été mis au point. Avant d'être délivré à la NASA, l'instrument a également passé avec succès les essais en environnement propres à la mission Phoenix. En plus des composantes matérielles de l'AFM, les commandes permettant de manœuvrer l'instrument de manière autonome ont été crées et testées en collaboration avec nos partenaires. Le fonctionnement autonome de l'appareil a ensuite été démontré sur un banc d'essai ainsi que sur une reproduction de l'atterrisseur de la mission. En parallèle aux développements techniques, la caractérisation de l'AFM a été réalisée par la mesure de différents échantillons. Les mesures exécutées sur des particules fixées artificiellement à leur substrat ont démontrées que l'instrument pouvait mesurer des particules de diamètre compris entre 0.1 et 5 micromètres. Comme la forme et la taille des particules étaient affectées par la géométrie de la pointe, des algorithmes corrigeant ces artefacts ont été crées et appliqués à des images. La distribution de taille des particules d'une image a également été déterminée avec succès. Des mesures d'échantillons analogues à ceux qui devraient être observés sur Mars ont indiqué que l'instrument ne pourrait pas prendre des images de n'importe quel échantillon, la taille des particules, leur arrangement sur le substrat ainsi que leur adhésion étant critiques. En particulier, il a été observé que des particules empilèes les unes sur les autres étaient très difficiles à mesurer, et constituaient un risque pour l'instrument. Finalement, des solutions ont été proposées afin d'évaluer pendant les opérations quels échantillons sont adaptés pour les mesures.
    Summary
    This thesis describes the development, the fabrication and the characterization of an atomic force microscope (AFM) for Mars exploration. Onboard the Phoenix mission, this instrument should shortly collect precious information about the size and the shape of fine dust particles of the martian soil and atmosphere. Atomic force microscopy is a three dimensional imaging technique determining the topography of the measured sample with a very high resolution. It is based on the detection of atomic forces acting between the sample and a very sharp sensor tip scanned across it. With its amazing resolution, this technique is used in many fields, such as microelectronics or bioscience. Due to its large size, relative fragility and complexity of operation, this instrument is not intrinsically intended for space missions. Nevertheless, the technological improvements in the field of microsystems allowed creating a miniaturized instrument with very high functionality. The AFM presented in this dissertation is based on a previous model showing a few disadvantages when scanning at low temperature. Using an innovative polyimide spring system, this problem was solved for the new instrument. Since non linear distortions of the scan plane were observed, software tools have been created for correcting them. Before its delivery to NASA, the instrument has successfully passed the environmental testing required by the mission. In addition to the hardware, the ight software commands allowing controlling autonomously the AFM were created and tested in collaboration with our partners. The autonomous operation of the instrument has then been demonstrated on a testbed and on a ight-like prototype of the Phoenix Lander. In parallel to the technical achievements, the AFM was characterized by measuring different samples. Images of particles artificially fixed to their substrate have demonstrated that the instrument could characterize particles having a diameter from 0.1 to 5 micrometers. As the shape and the size of the particles were inuenced by the geometry of the sensor tip, algorithms correcting these artifacts have been created and applied to images. The size distribution of a sample was also determined successfully based on an AFM image. Measurement on Mars analogues has indicated that atomic force microscopy could not be performed on any sample. The particle size, their arrangement and their adhesion to the substrate were key parameters. In particular, it was observed that piles of particles were not appropriated for AFM measurements, and could possibly harm the sensor chip. However, it was proven that an optical inspection of the samples allowed estimating the potential risk for the AFM.