Materials exhibit dramatically different mechanical properties when probed and confined on nanometer length scales. These size effects can arise from both the nature of individual contacts and the reduced dimensions of the interacting bodies. In this thesis, multimode atomic force microscopy techniques have been applied to study mechanical size effects of friction and plasticity in bulk and ultrathin film crystalline materials.

Incipient plasticity of crystal surfaces has been studied by a novel atomic force microscopy based indentation method. High resolution imaging after indentation of Cu(100) and KBr(100) surfaces revealed the resulting dislocation structure. The distribution of discontinuities observed in indentation force curves correlated to the creation of individual dislocation loops. The shear stress acting at the point of first yield was consistent with density functional theory predictions for the ideal shear strength of the crystal.

Friction and dissipation in epitaxial ultrathin films was then studied by the combined techniques of non-contact force microscopy, Kelvin probe force microscopy, and friction force microscopy. Films as thin as one and two atomic layers exhibit atomic stick-slip friction loops similar to their bulk forms. Edge sites of KBr films grown on Cu(100) are prone to wear while substrate steps overgrown by the film are stable. This phenomenon can be understood in terms of enhanced interaction at low-coordinated sites as reveled by atomic-resolution imaging. The tribological benefits of a closed KBr ultrathin layer are found to be consistent with macroscopic experiments. Single layer graphene films grown on SiC(0001) exhibit a reduced local work function compared to bilayers, allowing an unambiguous identification of layer thickness. Friction on SiC is greatly reduced by a single layer of graphene, and reduced by another factor of two on bilayer graphene. The friction contrast between single and bilayer graphene arises from a difference in electron-phonon coupling. Bilayer graphene as a lubricant outperforms even graphite due to reduced adhesion.

Lorsque confinés et sondés à l’échelle nanométrique, les matériaux ont des propriétés mécaniques grandement différentes. Ces effets de taille proviennent de la nature des contacts individuels et des dimensions réduites des corps en interaction. Dans cette thèse, des méthodes de microscopie à force atomique multimode ont été employées pour étudier les effets de taille mécaniques de la friction et de la plasticité dans le volume et en couches ultraminces de matériaux cristallins.

L’apparition de la plasticité en surfaces cristallines a été étudiée par une méthode d’indentation novatrice basée sur la microscopie à force atomique. Des images à haute résolution après indentation de Cu(100) et KBr(100) ont révélé la structure de dislocation résultante. La distribution des discontinuités observées dans les courbes de force d’indentation sont corrélées avec la création de boucles de dislocation individuelles. Les contraintes de cisaillement agissant à la limite d’élasticité sont en accord avec les prédictions des théories à fonctionnelle de densité pour le cisaillement idéal de cristaux.

La friction et la dissipation des couches ultraminces ont alors été étudiées par des techniques combinées de microscopie à force atomique hors-contact, à sonde Kelvin, et à friction. Des couches mono et biatomiques montrent des boucles de friction de glissement saccadé (stick-slip) atomique similaires aux formes de volume. Les sites en bordure de couche de KBr sur Cu(100) sont sensibles à l’usure tandis que les marches de substrat exhaussées par la couche mince sont stables. Ce phénomne se comprend comme une interaction accentuée aux sites à basse coordination, comme révélé par imagerie à résolution atomique. Les avantages tribologiques d’une couche ultra-mince fermée de KBr sont consistants avec les expériences macroscopiques. Les monocouches de graphène sur SiC(0001) montrent une fonction de travail locale réduite comparativement aux bicouches, permettant une indentification univoque de leur épaisseur. La friction sur SiC est grandement réduite par une monocouche de graphène et réduite par un facteur deux supplémentaire dans le cas de bicouches. Le contraste de friction entre mono et bicouches de graphène provient d’une différence dans le couplage électron-phonon. Les bicouches de graphène, comme lubrifiants, performent au-delà mˆeme du graphite due à l’adhésion réduite.