l’optique de champ proche : principe, instrumentation...
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L’Optique de Champ Proche : principe, instrumentation,
applications
Journées Nanosciences et Nanotechnologies – Paris, 25 - 27 sept. 07
Pascal Royer / LNIO / ICD / [email protected]
Principes physiques de l’OCP au regard des techniques de microscopie optique àsonde localeDétecter une onde radiative issue d’une interaction en champ proche entre deux objets (l’un pouvant être une sonde de type SNOM) pour obtenir des informations sur cette interaction.
Techniques de SNOM / NSOM - ASNOM - PSTM / STOM
S(x,y)
Z
X
Z0=λ/2π
Y Objet
Zone du champ proche (domaine des hautes fréquences spatiales)
(Z < λ/2π)ondes évanescentes
Zone du champ lointain (domaine des basses fréquences spatiales)
(Z > λ/2 π)ondes progressives
Optique de Champ Proche : domaine des ondes évanescentes(issues de la diffraction) et des techniques associées
Domaine de l’optique s’intéressant aux interactions de la lumière avec un ou plusieurs objets dont la taille et / ou la distance de séparation sont inférieures àλ/2 (limite de diffraction).
Z
YX
λ/2π
échantillon
Détecteur en champ lointain
Eclairage incident
Extrémité de sonde ou « apex »
(b) sonde diffusante ou sans ouverture ou encore perturbatrice
Matériau homogène
Sonde
Z
YX
λ/2π
Éclairageen réflexion
Éclairage en transmission
échantillon
Nano-ouverture (a) sonde à ouverture
Couche métallique opaque
Milieu diélectrique
SNOM / NSOMSonde à ouverture = nanosource
ou nanodétecteur
ASNOMSonde sans ouverture = nanoobjet diffusant
éclairage et détection en champ lointain
Pohl (1984)Betzig (1994),…
Synge (1928)Ash et Nichols (1972)
DenkDenk & & PohlPohl, , KawataKawata,,CourjonCourjon, , GoudonnetGoudonnet,,de de FornelFornel, , FerrelFerrel,,……
BoccaraBoccara (1994),(1994),WickramasingheWickramasinghe (1994)(1994)
Sonde à fibre optique effilée par technique d’attaque chimique ou fusion étirage
+ métallisation par évaporation : Cr + or ou Al
Quelques exemples de SONDES utiliseés enSNOM / ASNOM
Sonde pyramidale creuseen Si3N4 percée en son centre par FIB
500 µm
Sonde conique en SiSonde en tungstène réalisée
par voie électrochimique
Nouvelles approches expérimentales
- Nouveaux concepts de sondes - Détection interférométrique hétérodyne- Configuration sans pointe- Imagerie photochimique en champ proche
Nouveaux concepts de sondesNouveaux concepts de sondesAntennes optiques
(résonance)Amplification et confinement de champ en
extrémité de pointe (singularité E, B)
« Tip-enhanced » microscopie et spectroscopie optique
E. J. Sanchez et al. Phys. Rev. Lett. 82,
4014 (1999)
R. Bachelot et al. J. Appl. Phys. 40, 2060
(2003) UTT/Ecole Polytechnique
J. N. Farahani et al. Phys. Rev. Lett. 95, 017402-1 (2005) Univ.
Basel
T. Kalkbrenner et al. Phys. Rev. Lett. 95, 017402-1 (2005) Univ.
Basel
Éclairage enpolarisation p
Sonde métallique
échantillon
Nano-sourceoptique
Nouveaux concepts de sondesNouveaux concepts de sondesPointes hybrides Sonde polymère +
excroissance de carbone
H. G. Frey et al. P. R. L. 93, 200801 (2004) Max Planck Institute R. Bachelot et al. Appl. Opt. 40 1560 (2001). UTT/UHA
Particules activesIntégrées à la sonde
Pointe SNOMà ouverture avec
QD de CdSe
N. Chevalier et al.Nanotechnology 16, 613 (2005)
UJF / Spectro
1 µm
Pointe W avecparticules de
terre rare
L. Aigouy et al. Appl. Opt. 43,3829 (2004) ESPCI/LPN
Approche hApproche hééttéérodynerodyneS. Blaize, I. Stefanon, G. Lerondel, R. Bachelot et al.LNIO-UTT
Hillenbrand, Keilmann / Max Planck Institute
Nesci, Dändliker Univ. Neufchâtel
Kuipers / Univ. Twente
G. Wiederrecht / ANL Chicago
Imagerie photochimique en champ procheImagerie photochimique en champ prochePrincipe : molPrincipe : moléécules photosensibles servant de sondes pour le cules photosensibles servant de sondes pour le champ champ éélectromagnlectromagnéétique (tique («« photophoto »» en champ proche)en champ proche)
Imagerie AFM
C. Hubert et al. Nano Lett. 5, 615 (2005) -(UTT/ANL/ Northwestern Univ.)
ImageriePhotochimique
(image AFM)
Calcul FDTD
Réseau de plots d’Ag
(lithographie électronique)
Polarisation linéaire
Goutte de polymère
Laser argon λ = 514 nm
Spectroscopie (Raman et de fluorescence) Spectroscopie (Raman et de fluorescence) de de nanoobjetsnanoobjets
Spectroscopie Raman exaltSpectroscopie Raman exaltéée par e par nanosondenanosondemméétallique : TERS (Tip tallique : TERS (Tip EnhancedEnhanced Raman Raman SpectroscopySpectroscopy))
Sonde en orSonde en or
L. Novotny & S. J. Stranick Ann. Rev. Phys. Chem. 57, 3003 (2006) / (Univ. Rochester)
Image SNOM
SWC
Nanotube
AccAccèès s àà la nature physicola nature physico--chimique des nanotubeschimique des nanotubes
«« TipTip--enhancedenhanced »» fluorescencefluorescence200 nm
Pointe hybride
Colorant Cy-3 attaché àde l’ADN
Résolution ~ 10 nm, détermination de l’orientation 3-D des molécules !!
H. G. Frey et al. P.R.L. 93, 200801 (2004)
Max Planck institute
Études des effets physiques associés (quenching, exaltation, durée de vie de fluorescence…)
Contrôle de la luminescence d’unnano bâtonnet d’or
Longeur du bâtonnet : de 70 nm to 300 nm, diamétre = 30 nmDécalage et augmentation de la luminescence
en fonction du facteur de forme
Bouhelier, A., Bachelot, R., Lérondel, G., Kostcheev, S., Royer, P.,Wiederrecht, G.P., P. R. L., 95, 267415 (2005) (ANL Chicago et UTT Troyes)
Nanoantenne
P. Mühlschlegel, H-J. Eisler, O.J.F. Martin,B. Hecht and D.W. Pohl., Science 308,
1607 (2005) – Univ. de Bâle et de LausanneImages MEB
Images confocales
Au sur verreλ = 830 nmC : (250x40 nm2) x 2Gap = 30 nm
Champ complexe
E.cos(2E.cos(2ππ.f.t + .f.t + φφ))
Cartographie de champs complexes sur Cartographie de champs complexes sur structure SOIstructure SOI
Radiative mode
Amplitude
Phase
Guided mode
Substrate mode
MMI Zoom
topographicimage
30x30 µm2MMI : recombineur 2 vers 1
Mode de galerie stationnairevisualisé par SNOM dans un
microdisque SOI
Etude des modes de Bloch dans les structures à cristal photonique
T. Benyattou et al. J. Korean Phys. Soc. 47,
S72 (2005) INSA Lyon, LPN
AFM SNOM calcul H2 calcul E2
S. Blaize et al., UTT Troyes
NanostructurationNanostructuration de matde matéériaux polymriaux polymèères photosensibles res photosensibles par irradiation par une source lumineuse localepar irradiation par une source lumineuse locale
Meilleure compréhension de la photochimie des polymères – analyse des champs proches
Bachelot et al.,J. Appl. Phys. 40,2060 (2003) UTT/
Ecole Polytechnique
Nanosource : sonde à ouverture
N. Landraud et al. APL 79, 4562 (2001)-Ecole Polytech.
1µm
Nanosource : pointe métallique(excitée optiquement)
Éclairage enpolarisation p
Sonde métallique
échantillon
Nanolithographie plasmonique
W. Srituravanich et al., Nanoletters,vol.4, N°6, 1085-1088, 2004(Univ. de Californie – L. A.)
Réseau de nanoplots de 90 nmde diamètre et 170 nm de pas
Rayonnement thermique en champ proche :Rayonnement thermique en champ proche :TRSTM (Thermal Radiation STM)TRSTM (Thermal Radiation STM)
Ω
Ω
tip (W) A
B
BA
De Wilde, Formanek, Carminati, Gralak, Lemoine, Mulet, Joulain, Chen, Greffet, Nature 444, 740 (2006).ESPCI et ECP / Paris
• SNOM à pointe diffusante sans source extérieure• Diffusion du rayonnement thermique à la surface à T≠0.
Topo
grap
hie
(AFM
)TR
STM
T=170 °C
A B C
SiC Au
A
B
C
Au / Au / SiCSiC : Images TRSTM : Images TRSTM àà λ λ = 10.9 = 10.9 µµmm
De Wilde, Formanek, Carminati,Gralak, Lemoine, Mulet, Joulain,Chen, Greffet, Nature 444, 740
(2006).
Micro/nano spectromètre optique intégréà transformée de Fourier
Source Erbium ASE (Amplified Spontaneous Emission)
Interferogram
Optical Path Difference ( in µm)
Optical Path Difference ( in µm)
Interférogramme obtenu par balayage d’une nanosonde diffusante(config. ASNOM) au dessus du guide intégré
Test du prototype : mesure du spectre de fluorescence de l’erbium
Le balayage de la sonde SNOM remplacé par une rangée de lignes d’or lithographiées
Image optique
Aliasing wavelenght
Erbium peak
Spectre de la source ASE
Interférogrammesous-échantillonnémais…
E. le Coarer et al, Nature Photonics, Vol 1, N° 8, p. 473-478, Août 2007 (UTT - LAOG - IMEP - LETI)
ConclusionsConclusions-- LL’’OCP sOCP s’’est est éétendue autendue au--deldelàà des techniques des techniques de microscopie de microscopie àà sonde locale et reprsonde locale et repréésente un sente un domaine important de la domaine important de la nanooptiquenanooptique,,
-- LL’’OCP : branche des nanotechnologies OCP : branche des nanotechnologies croissante et impliquant une communautcroissante et impliquant une communautéépluridisciplinairepluridisciplinaire, ainsi qu, ainsi qu’’une physique et une une physique et une physicophysico--chimie extrêmement riches chimie extrêmement riches sciences sciences fondamentales + applications + instrumentationfondamentales + applications + instrumentation
-- Domaine crDomaine crééateur de concepts nouveaux,ateur de concepts nouveaux,
-- TheorieTheorie expexpéériencerience