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RÉSUMÉ
La microscopie optique en champ proche permet d’atteindre des résolutions sub-longueur d’onde en balayant une sonde à quelques nanomètres de la surface de l’échantillon. La nanocaractérisation optique offre de nombreuses applications en physique, en biologie, en biochimie... Cet article répertorie les applications les plus fructueuses et les plus prometteuses de la microscopie optique en champ proche. Tout d’abord, la nanosonde permet d’atteindre une résolution nanométrique pour la photolithographie. Il est également possible de détecter de faibles signaux optiques (fluorescence, spectroscopie Raman), de sonder des zones de l’espace très réduites (détection de molécule unique) et d’augmenter le rapport signal sur bruit par effet de pointe. Les microscopes champ proche ont également accompagné la révolution des nanotechnologies et les développements importants de la photonique et de la nano-optique.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jérôme SALVI : Maître de conférences Institut FEMTO-ST, Université de Franche-Comté, Besançon, France
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Daniel VAN LABEKE : Professeur émérite FEMTO-ST, Université de Franche-Comté, Besançon, France
INTRODUCTION
Les microscopes optiques en champ proche ont été inventés il y a un peu plus de trente ans et, après avoir diffusé vers l'industrie, ils sont aujourd'hui commercialisés par plusieurs compagnies sous différents acronymes. Cependant, ils n'ont pas quitté pour autant les laboratoires de recherche car leur pouvoir de résolution offre un aperçu unique du comportement de la lumière à l'échelle sub-longueur d'onde. Leur principe réside dans le balayage d'une sonde locale à quelques nanomètres de la surface de l'échantillon. Cette sonde est le plus souvent une fibre optique étirée en pointe, métalisée ou non, avec ou sans ouverture et son rôle est de permettre la détection des ondes évanescentes confinées au voisinage immédiat de l'objet. Ces ondes évanescentes contiennent l'information liée aux détails les plus fins de l'objet et leur détection permet de dépasser le critère de Rayleigh et d'atteindre des résolutions sub-longueur d'onde. Il existe de nombreuses configurations de microscope champ proche optique, mais le principe en est toujours le même. Il est décrit plus en détail dans l'article [P 862].
Ces multiples configurations font des microscopes optiques champ proche un outil très polyvalent qui affiche de nombreuses applications en apportant une précision nanométrique aux techniques d'analyse optiques habituelles. Ainsi cet article répertoire-t-il quelques exemples d'applications parmi les plus fructueuses et les plus prometteuses. Cependant, cette liste est loin d'être exhaustive : de nombreuses autres existent ou sont en train de naître et chaque nouvelle application s'accopagne d'une configuration particulière de microscope champ proche plus ou moins originale et efficace (éclairage, détection, nature et forme de la sonde...). À noter que les sondes (ou nano-antennes) sont aujourd'hui l'objet d'une attention particulière en recherche pour améliorer leur pouvoir collecteur ou pour les fonctionnaliser (détection du champ magnétique, sensibilité à la polarisation...). Ces études dédiées à la conception des sondes et à leur applications spécifiques sont regroupées dans l'article [P 862].
Le présent article se concentre sur les applications de la microscopie optique en champ proche en physique, biologie, biochimie...
La première application qui vient lorsque l'on dispose d'une nano-source (la sonde) est naturellement la photolithographie à haute résolution. C'est une application importante car toute l'industrie micro-électronique repose sur cette technique qui permet de fabriquer en masse les microcircuits de l'électronique.
Quelques exemples d'applications en biologie sont ensuite cités. En effet, l'utilisation d'un microscope optique en champ proche est peu invasive (pas de métallisation de l'objet, pas de contact avec la sonde) et c'est donc un outil permettant la caractérisation d'échantillons biologiques avec une résolution meilleure qu'en microscopie classique.
Parmi les techniques optiques souvent utilisées en biochimie, les marqueurs fluorescentes peuvent aussi être utilisés avec un microscope champ proche pour atteindre des résolutions sub-longueurs d'onde. L'apport de ces microscopes à la microscopie de fluorescence est décrit. La taille nanométrique des sondes permet également d'examiner des volumes très réduits d'échantillon et donc de faire de la spectroscopie de molécule unique. L'influence de la sonde locale est également évoquée.
L'exaltation du champ en bout de sonde métalisée permet de manière semblable d'augmenter le rapport signaler sur bruit de la diffusion Raman qui peut renseigner sur la nature ou la structure de l'échantillon. L'apport de la microscopie à sonde locale à la spectroscopie Raman est évoqué.
Enfin, les dernières applications représentent un volet très important puisqu'il s'agit des applications de la microscopie champ proche en photonique et nano-optique, domaines où de tels microscopes trouvent naturellement leur intérêt. Ils donnent en effet accès à la caractérisation du champ électromagnétique piégé à l'intérieur des composants photoniques et permet d'en améliorer la compréhension. De même, la plasmonique est aujourd'hui un thème de recherche en pleine expansion et il est étroitement lié à la microscopie champ proche optique : cette relation est abordée en toute fin d'article avant de conclure avec les métamatériaux. Un exposé beaucoup plus exhaustif des applications de la microscopie champ proche en nano-optique peut être trouvé dans .
La référence présente un état de l'art détaillé de la plasmonique et le livre , bien que plus ancien, développe clairement la théorie et les applications de la microscopie champ proche.
MOTS-CLÉS
Champ proche optique Nano-antennes Plasmonique biologie spectroscopie Nano-optique photonique Nanotechnologie
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Nanolithographie
La photolithographie des résines photosensibles est une méthode utilisée pour graver des masques dans les laboratoires de microélectronique. D'autres méthodes existent également comme la lithographie par nano-impression qui permet de structurer la résine par déformation mécanique. Pour ce qui concerne la photolithographie, la largeur des traits est limitée par le phénomène de diffraction qui empêche de focaliser parfaitement les faisceaux lumineux au-dessous de 0,5 μm. Les besoins de l'intégration des composants nécessitent des traits plus fins. Pour améliorer la résolution, les faisceaux lumineux peuvent être remplacés par des faisceaux UV lointains, des rayons X ou des faisceaux d'électrons ou d'ions. La nanophotolithographie champ proche permet également d'obtenir des structures à l'échelle du nanomètre en utilisant la sonde comme un stylo. Plus de détails sur cette technique peuvent être trouvés dans l'article [NM 556]. Le SNOM est une alternative lente pour la fabrication d'objet unique ou en petite série.
Les méthodes de la microscopie optique en champ proche permettent de revenir, dans certains cas, à l'utilisation de la lumière visible. La sonde est utilisée comme une nanosource et le temps d'exposition est contrôlé par des modulateurs acousto-optiques. Les premières expériences ...
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Nanolithographie
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SALVI (J.), VAN LABEKE (D.) - Microscopie optique en champ proche. - [P 862] Principe (2014).
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(2) - ZAYATS (A.), RICHARDS (D.) éditeurs - Nano-optics and near-field optical microscopy. - Nanoscale Science and Engineering, Artech House (2008).
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(3) - MAIER (S.) - Plasmonics : fundamentals and applications. - Springer (2010).
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(4) - COURJON (D.), BAINIER (C.) - Le champ proche optique : théorie et applications. - Collection technique et scientifique des télécommunications, Springer (2001).
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(5) - BACHELOT (R.) - Nanophotolithographie en champ proche. - NM 556 (2007).
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(6) - KRAUSCH (G.), WEGSCHEIDER (S.), KIRSCH (A.), BIELEFELDT (H.), MEINERS (J.C.), MLYNEK (J.) - Near field microscopy and lithography with uncoated fiber tips : a comparison. - Opt. Commun., 119,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Lumerical Lovalite https://www.lumerical.com/
MEEP (linux) : simulation FDTD, développé par le MIT, licence GNU GPL http://ab-initio.mit.edu/wiki/index.php/Meep
HAUT DE PAGE
Microscopy Ressource Center http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/nearfield/nearfieldintro.html
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Near-field Optics and Nanophotonics and Related Techniques (NFO), conférence internationale de la communauté scientifique champ proche, a lieu tous les deux ans http://www.nfo13.org/
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