Microscopie en champ proche sur des nanostructures transparentes
INTRODUCTION
Les applications opto-électroniques des non-linéarités
optiques de nanoparticules et de nanostructures sont de grand intérets.
Les microscopes optiques de champ proche (SNOM) utilisant des sondes sans
ouverture qui permettent d'obtenir des résolutions inférieures
à la dizaine de nanomètres sont parmi les techniques les
plus prometteuses pour l'étude de ces propriétés.
Les microscopes optique de champ proche conçus au laboratoire
utilisent des sondes métalliques sans ouverture optique faites d'une
tige de tungsténe coudée et taillée en pointe. Avec
un montage fonctionnant par transmission, ces sondes ont permis d'obtenir
une résolution d'une dizaine de nanomètres sur une marche
métallique. Ce montage et son aptitude à révéler
des contrastes optiques avec une trés bonne résolution ont
été utilisés pour l' étude de particules métalliques
déposées sur des matrices transparentes[1].
Des études préiminaires sur des couches d'agrégats
d'or co-déposés avec MgF2 ont permis
d'observer des différences dans la transmission de ces couches avec
une résolution de 5 nm. Cette résolution est de l'ordre de
grandeur du diamétre des agrégats métalliques. Ces
résultats permettent d'envisager la mesure du spectre d'absorption
d'un agrégat isolé.
Différentes études ont été menées,
l'une par reflexion totale interne, un autre en
mode transmission avec le microscope introduit ci-dessus.
EXALTATIONS LOCALISEES
AVEC UN MICROSCOPE EN MODE TRANSMISSION
Cette résolution est aussi de l'ordre de grandeur de la taille
des exaltations prédites théoriquement sur des films semi-continus
de particules métalliques lorsqu'ils sont irradiés par une
onde éléctromagnétique. Ces films sont constitués
d'amas métalliques de structure 2D, prochent du seuil de percolation,
et qui forment une structure fractale. Avec le même montage que précédement,
des mesures du champ proche optique de ces structures éclairées
avec différentes longueurs d'onde ont permis d'observer les sites
d'exaltations localisés et trés étroits dont le diamêtre
est inférieur à 50 nanomètres, et de confirmer la
dépendance en longueur d'onde de ces exaltations.
Ce travail est une collaboration avec:
-Patrice Gadenne and Xavier Quélin, LMOV,
Université de Versailles Saint Quentin
-Vladimir A. Shubin, A. K. Sarichev and Vladimir
M. Shalaev, Department of Physics, New Mexico States University, Las
Cruces, NM, USA.
[1]-Transmission mode aperturless near-field microscopy: optical
and magneto-optical studies, S. Grésillon, H. Cory, JC Rivoal,
AC Boccara, Journal of Optics A : Pure and Applied Optics, 2
(1999).
Imagerie optique en champ proche
de nanoparticules d'or avec un microscope fonctionnant par reflexion totale
interne
| L’objectif est d’observer la réponse optique d’agrégats
d’or déposés en monocouche et au voisinage du seuil de percolation
sur un substrat de silice. Leur taille, environ 20 nm, est bien inférieure
à la longueur d’onde du faisceau utilisé pour les révéler
(647 nm) et par conséquent, inférieure à la limite
de résolution d’un microscope optique classique .
En effet, pour une illumination à une longueur d’onde donnée,
seules les informations de faibles fréquences spatiales peuvent
se propager au delà de l’objet, alors que les hautes fréquences
spatiales restent confinées dans un champ évanescent dont
l’amplitude diminue lorsque l’on s’éloigne de l’objet. L’idée
consiste donc à sonder le champ électromagnétique
localisé à la surface de l’échantillon afin d’obtenir
la résolution sub-longueur d’onde recherchée : c’est la microscopie
optique de champ proche (SNOM : Scanning Near-field Optical Microscopy).
La méthode développée au laboratoire d’optique de
l’ESPCI [1] consiste à utiliser une pointe en tungstène pour
venir perturber localement et diffuser ce champ. La dimension de l’extrémité
doit donc être du même ordre de grandeur voire plus petite
que les structures recherchées (~ 10 nm). |
 |
Le dispositif expérimental est présenté sur la
figure ci-contre. L’échantillon est éclairé en réflexion
totale interne à l’aide d’un prisme, ce qui génère
à sa surface une onde évanescente. Celle-ci est localement
perturbée par la présence des agrégats. La pointe
oscille au-dessus de l’échantillon avec une amplitude de l’ordre
de 100 nm et une fréquence proche de 5 kHz. En position basse
(à environ 1 nm de la surface), elle diffuse l’onde évanescente
en champ lointain. Le signal recueilli à la fréquence de
vibration permet d’extraire les informations optiques locales. Grâce
à une boucle d’asservissement sur l’amplitude, on recueille simultanément
une information topographique lors du déplacement de l’échantillon
sous la pointe. Un système informatique gère ces déplacements
et enregistre les signaux désirés.
Avec un montage semblable fonctionnant en réflection ou transmission,
nous avons pu mettre en évidence [2] les exaltations locales de
champ électromagnétique produit par une distribution d’agrégats
au seuil de percolation, conformément aux prédictions théoriques
[3].
1 limite à laquelle
un chemin électrique continue est établie entre deux extrémités
de l’échantillon
2 donnée par le critère
de Rayleigh : 1.22l/2n0sinq
[1] : R. Bachelot, P. Gleyzes and A. C. Boccarra, Optics Letters, 20,
1924 (1995).
[2] : L. Aigouy, A. C. Boccara, H. Cory, S. Ducourtieux, S. Gresillon
and J. C. Rivoal, International Congress of Optics XVIII, 1999, San Francisco.
[3] : V. M. Shalaev and A. K. Sarychev, Physical Review B 57, 13265
(1998)
Contact information : Jean Claude Rivoal ,
Samuel Grésillon, Sébastien
Ducourtieux.
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