L’Optique de Champ Proche : principe, instrumentation,

applications

Journées Nanosciences et Nanotechnologies – Paris, 25 - 27 sept. 07

Pascal Royer / LNIO / ICD / UTTroyer@utt.fr

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

Application de l’OCP à la MICROSCOPIE ETSPECTROSCOPIE

DE NANO OBJETS

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…)

Application de l’OCP àL’OPTIQUE DESNANOMETAUX

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

Application de l’OCP àLA PHOTONIQUE

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

Nanostructurationdes matériaux

Application de l’OCP àLA LITHOGRAPHIE

OPTIQUE

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

Quelques résultats récents

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

SNOM Instrument de routine ?SNOM Instrument de routine ?

La pointe idLa pointe idééale ?ale ?

Forces optiques Forces optiques àà ll’é’échelle chelle nanomnanoméétriques, triques, nanobiologienanobiologie, , mméétamattamatéériauxriaux optiques, tamis optiques, tamis ààphotons,photons,……