This thesis presents the design and development of an electrochemical atomic force microscope (AFM) equipped with photothermal excitation for actuation of the cantilever for the study of the solid-liquid interface. A rigorous analysis of noise in the optical beam deflection method is presented and leads to innovative techniques for the reduction of the detection noise to levels well below the thermal noise of the cantilever. An AFM stochastic simulation demonstrates that thermal noise fundamentally limits the measurement of hydration structures at the mica-water interface, whereas tip-sample vibrations may dominate the measurement of the last two hydration layers above the surface. Commonly overlooked problems associated with the traditionally used piezoacoustic excitation are described and quantified with respect to the frequency-modulation (FM) and amplitude-modulation (AM) methods of dynamic AFM operation. After a description of the statistical mechanics of the electric double layer (EDL) of aqueous solutions, a three-dimensional atomic-resolution FM-AFM force spectroscopy experiment of the water-mica interface is presented alongside a detailed analysis of the damping and force profiles used for the determination of the absolute tip-sample distance by comparison to simulations. Lastly, the statistical mechanics of modern ionic liquid EDL electrochemistry are vulgarized, followed by a thorough investigation of cyclic voltammetry of 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate at the Au(111) interface with comparison to published electrochemical impedance spectroscopy results. The electrochemical observations are complemented by force spectroscopy measurements performed using AM-AFM at different electrode electrochemical potentials across a 2 V window - no relationship between potential and EDL structure was observed. / Cette thèse présente la conception et le développement d'un microscope électrochimique à force atomique (AFM) équipé d'excitation photothermique pour l'actionnement du levier pour l'étude de l'interface solide-liquide. Une analyse rigoureuse de bruit dans la méthode de déviation du faisceau optique est présentée et conduit à des nouvelles techniques pour la réduction du bruit de détection à des niveaux en dessous du bruit thermique du levier. Une simulation stochastique d'AFM démontre que le bruit thermique limite fondamentalement la mesure des structures d'hydratation à l'interface mica/eau, tandis que les vibrations méchaniques peuvent dominer la mesure des deux dernières couches d'hydratation au dessus de la surface. Des problèmes couramment négligés associés à l'excitation piezoacoustique traditionnellement utilisée sont décrits et quantifiés par rapport à la modulation de fréquence (FM) et à la modulation d'amplitude (AM) des méthodes de l'AFM en mode dynamique. Après une description de la mécanique statistique de la double couche électrique (EDL) de solutions aqueuses, des measures de spectroscopie de force de l'interface mica-eau acquises en mode FM-AFM en trois dimensions sont présentées à côté d'une analyse détaillée des profils d'amortissement et de la force utilisée pour la détermination d'une distance absolue entre la pointe et l'échantillon par comparaison à des simulations. Enfin, la mécanique statistique de l'électrochimie ionique moderne est vulgarisée, suivie d'une enquête approfondie de la voltampérométrie cyclique du 1-butyl-3-méthylimidazolium hexafluorophosphate près de l'interface du Au(111) avec comparaison avec les résultats publiés de spectroscopie d'impédance électrochimique. Les observations électrochimiques sont complétées par des mesures de spectroscopie de force réalisée à l'aide d'AM-AFM à différents potentiels électrochimiques d'électrodes à travers une fenêtre de 2 V - aucune relation entre la structure et le potentiel EDL n'a été observée.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110355 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Labuda, Aleksander |
| Contributors | Peter H Grutter (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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