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Auteur(s)
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Daniel VAN LABEKE : Laboratoire d’optique P.M. Duffieux, université de Franche-Comté - CNRS URA 214, UFR Sciences et techniques
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Lire l’articleINTRODUCTION
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].
VERSIONS
- Version courante de sept. 2014 par Jérôme SALVI, Daniel VAN LABEKE
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5. Conclusion
La microscopie optique en champ proche est moins développée que les autres microscopies à sonde locale, comme le STM et l’AFM. Depuis 2 ou 3 ans, les microscopes optiques en champ proche ont dépassé le stade du prototype et de l’appareil de démonstration. Un SNOM est actuellement commercialisé, ce qui démontre l’intérêt de cette nouvelle microscopie.
Du point de vue technique, il reste à définir quelles sont les meilleures configurations, à améliorer la fiabilité et la convivialité des appareils existants, de façon à les rendre utilisables par des non-spécialistes. La tendance actuelle est de rendre les appareils plus compacts. Les microscopes mixtes AFM-SNOM, AFM-STOM, STM-SNOM... sont promis à un bel avenir, car ils permettent de résoudre le problème du contrôle de la position de la pointe et apportent des informations complémentaires bien utiles pour interpréter les images (topographie, par exemple).
De nombreuses équipes réussissent en routine à obtenir des images avec une résolution meilleure que 50 nm. Une question reste ouverte : quelle sera la résolution ultime de ces microscopes ? Contrairement à la microscopie en champ lointain, il n’y a pas de limite théorique à la résolution des microscopes optiques en champ proche, mais une limite technologique. En améliorant la finesse des pointes, la sensibilité des détecteurs, la stabilité des sources lumineuses, on peut sans doute augmenter la résolution. Avec les microscopes fonctionnant en mode illumination ou en mode de collection, il a été atteint une résolution ultime aux environs de la dizaine de nanomètres. Les résultats obtenus avec les microscopes fonctionnant par perturbation, montrant une résolution nanomé-trique, doivent être confirmés, mais ils font espérer que le seuil du nanomètre pourra être franchi.
À ce jour, il est possible d’atteindre en routine une résolution de 50 nm, ce qui ouvre beaucoup de possibilités d’applications. Même avec une résolution inférieure à celle du microscope électronique, de l’AFM et du STM, la microscopie optique en champ proche permet d’étendre dans le domaine submicronique toutes les possibilités des méthodes optiques d’analyse. Nous avons illustré cet article par quelques exemples d’applications, de nombreuses autres sont en train de naître.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SALVAN (F.) - Microscopie par effet tunnel - . Techniques de l’Ingénieur, P 895, vol. P1 (1989).
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(2) - ARNOLD (M.) - Microscopie optique - . Tech-niques de l’Ingénieur, P 860, vol. P1 (1993).
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(3) - SYNGE (E.H.) - A suggested method for extending microscopic resolution into the ultra-microscopic region - . Phil. Mag. 6, p. 356-362 (1928).
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(4) - POHL (D.W.) - Optical near-field scanning microscope - . European Patent Application No 0112401, filed December 27, 1982 ; U.S. Patent 4, 604, 520, filed December 20 (1983).
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(5) - LEWIS (A.), ISAACSON (M.), MURRAY (A.) et HAROOTUNIAN (A.) - Scanning optical spectral microscopy with 500 A resolution - . Biophys. J. 41, p. 405a (1983).
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(6) - POHL (D.W.), DENK (W.) et DÜRIG (U.) - Optical stethoscopy : imaging with λ/20 in Micron and submicron...
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