Microscopie optique en champ proche

En 1981, Binnig et Rohrer inventent le microscope électronique à effet tunnel (STM : Scanning Tunneling electronic Microscope ) ; leur découverte va provoquer un renouveau de la recherche en microscopie et donner naissance à de nombreux microscopes fondés sur un principe complètement nouveau. En fait, on peut considérer que leur invention marque la naissance d’une nouvelle microscopie : la microscopie à sonde locale ou en champ proche.

Dans un microscope traditionnel, la partie la plus importante est une lentille, l’objectif. L’objet est éclairé par réflexion ou par transmission et l’objectif capte le champ diffracté par l’objet pour en faire une image. La lumière étant une onde, la diffraction par l’objectif limite le pouvoir de résolution du microscope : le critère de Rayleigh interdit de séparer deux points de l’objet plus rapprochés que la demi-longueur d’onde. En lumière visible, le pouvoir séparateur est théoriquement de l’ordre de 0,25 µm et, pratiquement, est rarement inférieur à un micromètre.

Un microscope à sonde locale ne possède pas de lentille ; la pièce la plus importante de ces microscopes est une sonde, très fine, qui est déplacée au voisinage de l’objet, en champ proche, pour l’éclairer ou en capter un signal. Ces microscopes sont des microscopes à balayage ; l’image est obtenue en déplaçant point par point la sonde et en traçant le signal détecté en fonction de sa position. Ils nécessitent l’utilisation d’un ordinateur pour visualiser les images, mais aussi pour contrôler la position de la sonde qui doit se déplacer à des distances nanométriques de la surface de l’objet.

Ces microscopes ont un pouvoir de résolution qui n’est pas limité par la diffraction et fournissent des images avec une résolution inespérée il y a encore peu de temps. Des images avec une résolution de 20 nm sont produites par de nombreux laboratoires et une équipe a obtenu une résolution de 1 nm.

Dans cet article, nous présentons rapidement l’historique des microscopes optiques en champ proche. Puis nous décrivons et comparons les différentes configurations les plus utilisées actuellement, en expliquant le principe de fonctionnement et en montrant comment l’utilisation des ondes évanescentes permet d’aller au-delà du critère de Rayleigh. Nous présentons ensuite les différents problèmes techniques et les solutions qui leur sont apportées, ainsi que les résultats actuels et quelques exemples d’applications. Les perspectives et l’évolution probable de cette technique très récente mais promise à un grand développement sont évoquées en conclusion.

Pour de plus amples renseignements, le lecteur se reportera aux références [1] et [2].