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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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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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1. Différentes configurations expérimentales
En microscopie électronique par effet tunnel, il n’existe qu’une seule configuration. Par contre, en microscopie optique en champ proche, de nombreuses configurations expérimentales ont été proposées et développées. Nous allons présenter les principales configurations existant à ce jour.
D’abord, comme en microscopie optique traditionnelle, il faut distinguer les microscopes fonctionnant par transmission des micro-scopes fonctionnant par réflexion. En transmission, la lumière traverse l’objet, ce qui nécessite des objets transparents ou suffisamment minces. De très nombreuses applications potentielles concernent des objets non transparents et nécessiteront un micro-scope fonctionnant par réflexion.
Mais la spécificité des microscopes en champ proche repose sur la façon dont la sonde est utilisée. Il y a trois modes de fonction-nement : le mode illumination, le mode collection et le mode perturbation.
Dans le mode illumination, la sonde est utilisée comme une nanosource illuminant l’objet en champ proche. Dans le mode collection, la sonde sert de collecteur de lumière pour capter le champ proche au voisinage de l’objet. Dans le mode perturbation, la sonde ne sert ni à éclairer, ni à capter la lumière, mais sa présence au voisinage de l’objet modifie les conditions aux limites, ce qui se répercute sur l’intensité d’un signal optique.
Le principe des diverses configurations est représenté figure 1.
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Microscopes fonctionnant par transmission
Le premier microscope optique en champ proche (figure 1 a) travaille en transmission, la sonde étant utilisée en mode illumination. Elle éclaire l’objet en champ proche, le champ diffracté par l’objet est capté en champ lointain. Très souvent un objectif est utilisé dans ce but mais, contrairement à un microscope traditionnel, cette lentille n’est pas le dispositif imageur, elle sert uniquement de collecteur de lumière.
La configuration suivante (figure 1 b) est l’équivalent optique du microscope électronique par effet tunnel et nous utiliserons dans toute la suite le sigle STOM (Scanning Tunneling Optical Micro-scope [10]), mais cette configuration est également connue sous la dénomination de PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope [11]...
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Différentes configurations expérimentales
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SALVAN (F.) - Microscopie par effet tunnel - . Techniques de l’Ingénieur, P 895, vol. P1 (1989).
-
(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).
-
(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).
-
(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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