Du SNOM infrarouge au STM à rayonnement thermique

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1 Du SNOM infrarouge au STM à rayonnement thermique Yannick DE WILDE Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielles (ESPCI) Laboratoire d Optique Physique UPR A0005-CNRS, PARIS

2 SNOM à pointe diffusante (s-snom) (sans ouverture) diffusion par des particules de dimension <<! Image : 35 #m x 35 #m Image en microscopie conventionnelle (ch. lointain) Billes d or ( diamètre " ~ 50 nm ) Illumination visible (! ~ 500 nm ) Chaque nano-particule ~ dipôle Moment dipolaire Section efficace p& $ m% E0 4 k C dif ')(& % 6* L intensité I du champ qu elle diffuse : I! C E dif 2 0 En mesurant I on mesure le champ local E 0 où se trouve la nano-particule. 2

3 Le SNOM à pointe diffusante s-snom : principe Déplacement contrôlé d un diffuseur sub-! unique Idée : En pratique : Mesure du champ diffusé en fonction de la position de la pointe AFM Image optique en champ proche Résolution ~ "+

4 Le SNOM à pointe diffusante s-snom : principe Modulation verticale de la pointe ) ) - Extraire E tip ()) du background - Topographie de la surface ( AFM, mode «tapping» )

5 s-snom + source laser infrarouge (!=10,6 #m) W tip : SEM image 1 #m Y. De Wilde, F. Formanek, L. Aigouy, Rev. Sci. Instrum. 74, 3889 (2003)

6 SNOM à pointe diffusante avec illumination laser infrarouge : résultats expérimentaux Trous sub-! (chrome/ verre, "=200nm) : Imagerie infrarouge Microscopie électronique (C. Bainier et D. Courjon) AFM (topographie) GDR Optique de champ proche Appl. Optics 42, 691 (2003) Formanek, De Wilde, Aigouy, J. Appl. Phys. 93, 9548 (2003) AFM Optical 1.18 #m 1.21 #m AFM (Profile) Résolution optique ~ nm ~!/200 SNOM (3#mx3#m)!=10,6 #m

7 Etude d un laser à cascade quantique à confinement par air en fonctionnement. InGaAs/AlInAs, GaAs/AlGaAs, InAs/AlSb!: mid-ir (!! 3-24 #m) et THz (!! #m) MET "! E k! ~20 µm! mm MEB 55 nm Région active 15 µm Semicon ductor metal metal l R. Colombelli, V. Moreau, M. Bahriz, L. Wilson, A. Krysa «Air confinement»

8 Etude d un laser à cascade quantique à confinement par air en fonctionnement. Ondes station., y # m Région active Région active Facet Facet Ondes stationnaires dans la cavité laser Applied Physics Letters 90, (2007)! & 7.7 # m n eff & 3.4 Périodicité attendue :!, y & & # m 2n eff

9 Thermal Radiation Scanning Tunnelling Microscope TRSTM Imagerie en champ proche sans aucune source laser

10 Rayonnement thermique :détection en champ lointain Caméra infrarouge à vision nocturne Microscope thermique infrarouge en champ lointain Corps gris : Spectre '!, ( &. '! (! '!, ( G T B T m Résolution ~ 5 #m '!, T( 2 2hc 1 Détection du rayonnement thermique produit par l objet B & 5! hc! kt e / 1

11 Détection en champ proche du rayonnement thermique : TRSTM (Thermal Radiation STM) PRINCIPE Vertical oscillation Detector Tip 0 Sample 0 Hot plate (sample holder) tip (W) Microscope en champ proche à pointe diffusante sans source extérieure. Diffusion du rayonnement thermique en champ proche à T"0.

12 Images de motifs en Au sur SiC B Au A B Topographie (AFM) SiC TRSTM A Résolution ~ 100 nm Sans filtre1+0 Signal TRSTM ~ 20 pw ~ IR-SNOM signal 10 3

13 Sélection de l énergie : Images TRSTM avec filtre à!+= 10,9 #m SiC Au A B C A TRSTM B C Topography (AFM) T=170 C De Wilde, Formanek, Carminati, Gralak, Lemoine, Mulet, Joulain, Chen, Greffet, Nature 444, 740 (2006).

14 Sélection de l énergie : Images TRSTM avec filtre à!+= 10,9 #m SiC Au A B C A TRSTM B C Topography (AFM) T=170 C

15 Sélection de l énergie : Images TRSTM avec filtre à!+= 10,9 #m SiC Au A B C A TRSTM B C Topographiy (AFM) FRANGES = Modes de plasmons de surface excités thermiquement dans une cavité planaire Cohérence d ondes de surface excitées thermiquement.

16 SNOM avec laser Détecteur Pointe Analogie avec le STM électronique Laser Détecteur Filtre Support éch. chauffant TRSTM Pointe Emission thermique Courant tunnel I Pointe Détecteur Détecteur I V STM électronique laser photons électrons TRSTM = STM à photons : - Même formalisme - Sonde la densité locale d états de photons Carminati, Saenz, PRL 84, 5156 (2000) Joulain, Carminati, Mulet, Greffet, PRB 68, (2003)

17 Images TRSTM vs. EM-LDOS TRSTM!&2345#m T=170 C AFM!=10.6#m

18 Comparaison entre substrat SiC et SiO 2 Au Au SiC SiO 2 Image TRSTM à 20 Filtre à 10,9#m (largeur 1 #m) Image TRSTM image à 20 Filtre à 10,9#m (largeur 1 #m) Au!=10.6#m SiO 2 Théorie Image TRSTM à 0 Filtre à 10,9#m (largeur 1 #m)

19 Conclusions : SNOM à pointe diffusante : résolution optique <<! (visible et IR) TRSTM sonde le rayonnement thermique de surface. ~ caméra à vision nocturne en champ proche Effets de cohérence de plasmons de surface excités thermiquement sur des bandes en or. TRSTM : STM électromagnétique EM-LDOS TRSTM STM AFM Quantum corral : Fe sur Cu(111) Crommie, Lutz & Eigler (IBM-1993)

20 Collaborateurs : Expériences : P-A. Lemoine (Doctorant ESPCI)+Formanek Théorie et modélisation (TRSTM) : J.-J. Greffet (EM2C-Ecole Centrale Paris) R. Carminati (EM2C-Ecole Centrale Paris ESPCI) K. Joulain (LET-ENSMA, Futuroscope) B. Gralak (I. Fresnel) Echantillons (TRSTM) : Y. Chen (ENS-Paris & LPN ) Lasers à cascade quantique : R. Colombelli (IEF) V. Moreau, M. Bahriz (Doctorants - IEF) L. Wilson, A. Krysa (University of Sheffield, UK) + I. Sagnes, J. Gierak (LPN)