Bibliographie & annexes
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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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Sub-wavelength resolution is achievable thanks to near-field optical microscopes which use a local probe. This probe detects the evanescent field confined in the close vicinity of the surface sample. The tip scanning distance or height is only is a few nanometres from the surface: an effective feedback loop is then required to keep the probe-sample distance constant in spite of the topography. A near-field optical microscope gives then access to a topographic image in addition to a optical nano-characterisation. This paper describes the principle of near-field optical microscopes, the different set-ups which exist and a large range of potential probes according to the application needed.
Auteur(s)
-
Jérôme SALVI : Maître de conférences FEMTO-ST, université de Franche-Comté, Besançon, France
-
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
KEYWORDS
optical near-field | resolution | nano-antenna | biology | spectroscopy | nano-optics | photonics | piezoelectricity
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1998 par Daniel VAN LABEKE
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Instrumentation2. Principe
La détermination théorique de l'image d'un objet en microscopie optique en champ proche est un problème de diffraction d'ondes électromagnétiques par un système constitué de l'objet et de la sonde. Beaucoup de configurations ont été proposées en microscopie optique en champ proche. Elles utilisent toutes le même principe de fonctionnement : des ondes évanescentes sont transformées en ondes homogènes. Dans ce paragraphe, nous allons présenter une approche théorique. Nous nous limitons à utiliser une théorie scalaire où les propriétés vectorielles et de polarisation de la lumière sont ignorées. Mais ce formalisme est suffisant pour décrire les principes généraux de la microscopie optique en champ proche et en particulier sa résolution.
2.1 Décomposition en spectre d'ondes planes
Considérons un objet mince situé dans le plan z = 0. Le plan moyen de l'objet est le plan (x, y ). On éclaire cet objet par un champ incident monochromatique de longueur d'onde λ = 2πc/ω, c étant la célérité de la lumière dans le vide et ω la pulsation du champ électromagnétique :
Ce champ a pour amplitude Einc (x, y, 0) en z = 0 qui correspond au plan de l'objet.
Dans cet article, pour simplifier l'exposé théorique, on suppose que l'objet est caractérisé optiquement par une fonction de transmission τ (x, y ) et, dans toute la suite, cette fonction τ (x, y ) est assimilée à l'objet. L'amplitude du champ, après traversée de l'objet, est donc simplement le produit du champ incident par la fonction de transmission :
( 1 )
Connaissant le champ juste après l'objet, en z = 0, il faut calculer le champ en un point z quelconque au-dessus de l'objet (z > 0). Ce calcul est un problème de propagation de champ, qui est traité...
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Principe
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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