Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La microscopie optique en champ proche permet d’atteindre une résolution sub-longueur d’onde (interdite en microscopie optique classique) grâce à une sonde locale qui détecte un signal non radiatif confiné au voisinage immédiat de la surface de l’échantillon. La sonde balaie cette surface à une distance ou hauteur de quelques nanomètres : il est donc nécessaire d’avoir une boucle de contre-réaction efficace qui permet de suivre la topographie de l’objet. Un microscope champ proche offre ainsi une image topographique de la surface en plus de sa caractérisation optique à l’échelle nanométrique. Cet article présente le principe des microscopes optiques en champ proche, les différentes configurations possibles ainsi qu’une large palette des sondes potentielles suivant l’application requise.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jérôme SALVI : Maître de conférences 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
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 puis celle du microscope à force atomique en 1985 AFM (Atomic Force Microscope) marquent 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 champ proche utilise 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 meilleure que celle des microscopes classiques. Des images avec une résolution de quelques nanomètres sont accessibles en routine, la résolution est de l'ordre de la dizaine ou de la centaine de nanomètres suivant le dispositif. 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, en expliquant le principe de fonctionnement et en montrant comment l'utilisation des ondes évanescentes permet de dépasser le 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 sont évoquées en conclusion. Pour de plus amples renseignements, le lecteur se reportera aux articles [P 895] [P 860] et [P 863].
La microscopie optique à sonde locale aurait pu naître 50 ans plus tôt. Le principe est décrit dans un article prophétique de E.H. Synge en 1928 . Dans cet article, l'auteur suggérait d'améliorer la résolution des microscopes optiques en utilisant une nano-ouverture percée dans un écran métallique pour aller sonder, à quelques nanomètres de distance, le champ proche au voisinage de l'objet. Dans une lettre à Einstein, il envisageait d'utiliser une pointe en quartz métallisée à son extrémité comme sonde optique, ce qui est pratiquement la solution adoptée aujourd'hui pour les microscopes optiques en champ proche. Les premières expériences ne sont réalisées qu'en 1972 et, pour des raisons technologiques, elles ont lieu en ondes radio puis en infrarouge, mais elles utilisent la première configuration de Synge : la sonde est une ouverture dans un écran métallique. Il faut attendre l'invention du STM pour que naissent les premières réalisations en optique. L'inconvénient majeur du STM est qu'il nécessite des échantillons conducteurs (ou métallisés). Le microscope à force atomique (AFM) inventé en 1985 par Binnig, Quate et Gerber pallie cet inconvénient en détectant les forces d'interactions inter-atomiques entre une pointe et la surface. Parallèlement, le premier microscope optique en champ proche a été réalisé en 1983 par D. Pohl travaillant lui aussi dans le laboratoire de Binning et Rohrer. D'autres prototypes sont réalisés un peu plus tard aux États-Unis, à l'université Cornwell .
Les premiers essais sont effectués avec la configuration de Synge : la sonde optique est une nano-ouverture dans un écran métallique plan. Mais cette solution souffre de graves inconvénients : il est impossible de déplacer un plan à quelques nanomètres de la surface d'un objet sans avoir de collisions dommageables pour la sonde et l'objet.
La microscopie optique en champ proche va vraiment se développer quand les expérimentateurs vont avoir l'idée d'utiliser, comme sonde optique, une pointe très fine.
En 1984, une pointe de 30 nm de rayon de courbure est réalisée en attaquant chimiquement un cristal de quartz . L'équipe américaine utilise, dans le même but, une micropipette étirée à chaud . Ces premières expériences utilisent la pointe comme une source et travaillent par transmission. Le premier microscope avec une pointe pour collecter le champ proche date de 1987 et, en 1989, est réalisé le premier microscope par réflexion . En 1989, trois équipes indépendantes vont créer un véritable équivalent optique du STM .
Dès 1985, on démontre que les techniques de microscopie en champ proche peuvent vaincre le critère de Rayleigh et on annonce une résolution de λ/20 soit 30 nm . En 1995, des images montrant des détails de 1 nm ont été obtenues grâce à un microscope en champ proche d'un type nouveau : la sonde ne servant ni à éclairer, ni à détecter le champ proche .
Les premières vraies applications sont publiées en 1992 par Betzig et Trautman . Depuis, le nombre de publications démontrant les diverses possibilités d'applications de la microscopie optique en champ proche se sont multipliées . On peut trouver des références dans les comptes rendus des conférences internationales [Doc. P 862]. La dernière en date à ce jour, NFO-12 (Near Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques, San Sebastián, Espagne, 2012), qui fêtait ses 20 ans d'existence a connu un franc succès en réunissant plus de 400 participants internationaux.
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MOTS-CLÉS
Champ proche optique Résolution Nano-antennes biologie spectroscopie Nano-optique photonique Piezoélectricité
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1998 par Daniel VAN LABEKE
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Différentes configurations expérimentales4. Conclusion
La mise en œuvre d'un microscopie optique en champ proche est beaucoup plus délicate que celle des autres microscopies à sonde locale comme le STM et l'AFM. Les microscopes mixtes AFM-SNOM, AFM-STOM, STM-SNOM... 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).
En trente ans d'existence, les différents microscopes optiques champ proche ont essaimé des laboratoires de recherche vers le domaine commercial et industriel. Leur pouvoir de résolution et leur souplesse offrent un aperçu unique à l'échelle nanométrique de toutes sortes d'échantillons et leur ont par conséquent ouvert les portes de nombreuses applications dans des domaines très variés en physique bien sûr, mais aussi en biologie, biochimie... 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. L'article [P 863] développe ses applications les plus prometteuses et les plus fructueuses. Elle a entre autre accompagné voire permis le développement de la micro-photonique et de la nano-optique qui sont aujourd'hui des domaines de recherche en pleine expansion. Hormis pour les sondes, la microscopie champ proche optique n'est plus un thème de recherche actuel. Par contre, son utilisation est quotidienne et beaucoup de chercheurs qui ont développé des techniques champ proche optique dans les années 1990 ont basculé aujourd'hui vers la nano-optique ou la plasmonique.
Du point de vue technique, il reste à améliorer la qualité des sondes (géométrie, matériau, ouverture, efficacité) et surtout leur reproductibilité. Leur développement et leur amélioration se fait aujourd'hui à travers la thématique des nano-antennes. Ces nano-antennes représentent une solution d'avenir pour les sondes locales optiques car elles permettent d'améliorer leur transmission et de les fonctionnaliser pour accéder, par exemple, à la nature vectorielle du champ électromagnétique...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SALVAN (F.) - Microscopie par effet tunnel. - [P 895] (1989).
-
(2) - ARNOLD (M.) - Microscopie optique. - [P 860] (1993).
-
(3) - SALVI (J.), VAN LABEKE (D.) - Microscopie optique en champ proche. Applications. - [P 863] (2014).
-
(4) - SYNGE (E.H.) - Suggested method for extending microscopic resolutioninto the ultramicroscopic region. - Phil. Mag., 6, p. 356-362 (1928).
-
(5) - POHL (D.W.) - Optical near-field scanning microscope. - Brevet européen 0112401 (1987).
-
(6) - POHL (D.W.) - Optical near-field scanning microscope. - Brevet US, 4, p. 604-520 (1986).
-
(7)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Lumerical fourni par 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
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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 ...
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