5. Les sondes de champ proche
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- Arthur Dumas
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1 5. Les sondes de champ proche 54
2 Les sondes de champ proche Milieu diélectrique Matériau homogène Couche métallique Nano ouverture Extrémité ou apex Sondes à ouverture Sondes diffusantes 55
3 Des configurations variées de microscopes en champ proche optique En mode collection En mode illumination En mode diffusion 56
4 Des configurations variées de microscopes en champ proche optique En mode transmission En mode réflexion En réflexion totale interne: mode PSTM 57
5 Classification Microscope champ proche à ouverture: Scanning Near field Optical Microscope (SNOM) Photon Scanning Tunneling Microscope (PSTM) Microscopes champ proche sans ouverture: Apertureless Scanning Near-field Optical Microscope (A-SNOM) Scattering Scanning Near-field Optical Microscope (s-snom) Ou encore NSOM, STOM 58
6 Sondes à ouverture 59
7 Sondes à ouverture Fibre optique amincie Fibre optique métallisée percée d un trou 60
8 Fibre optique amincie Fibre optique amincie Fibre optique 100 m 61
9 Sonde à ouverture Fibre optique amincie SiO 2 SiO 2 10nm Chauffage étirage 50nm Attaque chimique 62
10 Fabrication par attaque chimique Méthode de Turner Méthode du «tube-etching» Solution d attaque = Acide Fluorhydrique 63
11 Fabrication par attaque chimique Forte influence des paramètres expérimentaux (température, concentration HF, viscosité solvant organique, tamponnage solution) 64
12 Fabrication par attaque chimique Procédés de fabrication fortement dépendant de la composition chimique des fibres optiques (cœur, cladding, gaine). Non reproductible d un fournisseur de fibre à l autre même pour un standard de fibre donné. 65
13 Fabrication par chauffage étirage F Verre/fibre optique F chaleur A l arc et la bougie. Boy, Phil. Mag. 23, 489 (1887) Threlfall, On laboratory arts, Macmillan and co., London (1898) 66
14 Fabrication par chauffage étirage Sous chauffage laser CO 2 F F Procédé hautement reproductible Des solutions commerciales existent 67
15 Fabrication par chauffage étirage SiO 2 50nm Apex circulaire et plat 68
16 Comparaison Chauffage - Étirage Attaque chimique 100 m Allure générale 100 m Apex 10nm Hautement reproductible 50nm Peu reproductible État de surface Fondu Rugosité <qq nm Rugueux et facetté Rugosité de 10 à 100nm 69
17 Propriétés optiques Chauffage - Étirage Attaque chimique Diminution progressive du diamètre de coeur Disparition du guidage par l indice du coeur Pertes à la réflexion Ou Retropropagation Diamètre de cœur constant Guidage par contraste d indice jusqu à l apex Haute reproductibilité Faible rugosité Avantages Transmission élevée Apex potentiellement <20nm Contrôle de l angle d ouverture 600nm pour un apex /6 600nm pour un apex /6 Transmission faible Apex >50nm Inconvénients Faible reproductibilité Forte rugosité 70
18 Sondes métallisées à ouverture Fibre optique étirée à chaud puis métallisée et percée d un trou sublongueur d onde Chauffage - Étirage Diminution progressive du diamètre de coeur métal Disparition du guidage par l indice du coeur Pertes à la réflexion Ou Retropropagation Objectif: Fabriquer de façon reproductible une sonde dont l apex est le plus petit possible et dont la transmission est élevée. 71
19 Fabrication par évaporation sous vide 72
20 Usinage par faisceau d ion focalisé ou FIB ( Focused Ion Beam) Ga + Nano ablation de matière 500nm 73
21 Usinage par faisceau d ion focalisé ou FIB ( Focused Ion Beam) Des sondes aux ouvertures «customisées» Burresi et al., Science 326, 550 (2009) Nivelle et al., Optics Express18,15964 (2010) Taminiau et al., Nature Photonics 2, 234 (2008) 74
22 Collection par une sonde à ouverture =600nm Bethe, Phys. Rev. 66, p (1944) I T /I 0 ~(r/ ) 4 600nm pour une ouverture /6 I 0 Résolution de la sonde imposée par le diamètre de l ouverture. Grande résolution = Faible flux photonique 75
23 Quelques configurations de microscopes champ proche avec sonde à ouverture 76
24 Microscopes en transmission Échantillons à substrat transparent & sondes à ouvertures 77
25 Microscopes en réflexion BS Échantillons à substrat opaques (ou non) & sondes à ouvertures 78
26 Remarque sur le contraste Laser Le signal collecté en champ proche est une combinaison de la diffraction du faisceau incident par les éléments de topographie de petite dimension et du faisceau direct. 79
27 Microscopes PSTM Prisme droit Lentille hémicylindrique Lentille hémisphérique Échantillons à substrats transparents & sondes à ouvertures 80
28 Microscopes PSTM Film mince Objectif TIRF Échantillon d optique intégrée (semiconducteur, diélectrique) Échantillons transparents (plasmonique) 81
29 Sondes sans ouverture 82
30 Sondes sans ouverture Sonde diffusante en matériau homogène ou ou Sonde diffusante AFM diélectrique (avec/sans revêtement métallique ou diélectrique) Sonde «greffée» par une particule diffusante 83
31 Diffusion par la sonde (Diffusion Mie - Rayleigh) Sonde : sphère diffusante de rayon r s Polarisabilité de la sphère I diff r s Section efficace de diffusion: Taille de la sphère Nature de la sphère A ramener à l angle solide de collection!!! 84
32 Diffusion par la sonde (Diffusion Mie - Rayleigh) Pour des sphères de 40nm (calcul par la théorie de Mie) Résonance plasmon Extrait de Aigouy et al., Les nouvelles microscopies, Belin
33 Diffusion par la sonde (Diffusion Mie - Rayleigh) Résonance plasmon d une sphère métallique Au Dipôle oscillant Extrait de Aigouy et al., Les nouvelles microscopies, Belin
34 Pointe en matériau homogène Sonde métallique (W) de type pointe STM (STM: Scanning Tunneling microscopy) Specht, Phys. Rev. Lett. 62, 458 (1992) Fabrication par voie électrochimique W W W KOH KOH 87
35 Sondes AFM apex <10nm Sondes commerciales hautement reproductibles Large de variété de matériaux (Si, Si 3 N 4, C, W, Au, Pt, PtIr, PtSi, ) Fabriquées par les technologies de la microéléctronique
36 Sondes «greffées» particule «greffée» en extrémité de sonde SiO 2 Nanotube de carbone Bille d or Anger et al., Phys. Rev. Lett. 96, (2006) Si 89
37 Quelques microscopes sans ouvertures PBS Objectif TIRF Film mince En réflexion 90
38 Sondes fluorescentes 91
39 Sondes fluorescentes Molécules fluorescentes dans une micropipette Solide ou molécule fluorescente «greffée» en extrémité de sonde 92
40 La fluorescence 1 photon S 2 Diagramme de Jablonski E 2 photons S 1 Absorption 1 photon s Relaxation non radiative s s 10-8 s T Transferts d énergie non radiatifs Absorption 2 photons Fluorescence s Phosphorescence s S 0 93
41 Rendement de fluorescence En régime linéaire, loin de la saturation (I 0 faible): 1 photon I fluo I 0 pour une molécule fluorescente unique!! et à ramener à l angle solide de collection!!! Rq: A 2 photons, 94
42 Spectres d absorption / émission Spectre d absorption émission de la Rhodamine Décalage de stokes 95
43 Sondes fluorescentes Particule ou molécule fluorescente «greffée» en extrémité de sonde Particule de verre fluoré dopé terres rares p-therphenyl microcristal dopé terrylene nanodiamant w Aigouy et al., App. Phys. Lett. 83, 147 (2003) Sonnefraud et al., Opt. Lett. 33, 611 (2008) Michaelis et al., Nature 405, 325 (2000) 96
44 Microscopie à sondes fluorescentes 97
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