Caractérisation par Microscopie en Champ Proche Optique de

Chapitre 3 :
INSTRUMENTATION

Sommaire
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Sommaire
I. INTRODUCTION ....................................................................................... 59
II. GENERALITES .......................................................................................... 59
II-1. L ES DIFFÉRENTES CONFIGURATIONS DE LA MICROSCOPIE EN CHAMP PROCHE
OPTIQUE
59
Le mode illumination ................................................................................... 59
Le mode collection....................................................................................... 60
II-2. L ES ÉLÉMENTS DE BASE D ’ UN MICROSCOPE À CHAMP PROCHE OPTIQUE ..... 62
II-2-1. La Sonde......................................................................................... 62
Sonde à ouverture......................................................................................... 62
Sonde sans ouverture.................................................................................... 63
II-2-2. La régulation de la distance sonde échantillon............................... 63
III. NOTRE APPROCHE .............................................................................. 65
III-1. L E T WIN SNOM D ’O MICRON ................................................................... 65
III-1-1. Description générale ...................................................................... 65
III-1-2. Les différents modes de fonctionnement.......................................... 66
III-1-3. Electronique et logiciel d’acquisition ............................................. 67
III-1-4. Les sondes utilisées ........................................................................ 69
III-1-5. L’asservissement ............................................................................ 69
III-2. L’ INJECTION DANS LES STRUCTURES GUIDANTES ...................................... 71
III-2-1. La platine d’injection ..................................................................... 71
III-2-2. Les fibres d’injection...................................................................... 72
III-3. L ES SOURCES ET DÉTECTEURS UTILISÉS ................................................... 73
III-3-1. Sources........................................................................................... 73
III-3-2. Détecteurs ...................................................................................... 73
III-4. E NSEMBLE DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL ET DÉROULEMENT D ’ UNE
EXPÉRIENCE
.............................................................................................................. 74
III-4-1. Préparation et vérification de la sonde........................................... 74
III-4-2. L’injection de lumière dans la structure guidante........................... 75
III-4-3. L’approche de la sonde .................................................................. 76
III-4-4. L’acquisition d’une image et les réglages de différents paramètres 76
IV. CONCLUSION............................................................................................ 77

I. INTRODUCTION
Dans le chapitre précédent, nous avons énoncé les bases théoriques décrivant le
principe de fonctionnement de la microscopie en champ proche optique, en mettant
volontairement de côté ce qui se rapporte à l’instrumentation. Le but de ce chapitre est
d’éclaircir ce point.
Dans un premier temps, nous passerons en revue les différentes configurations de
microscopes utilisés en microscopie en champ proche optique et introduirons les
éléments de base qui constituent un microscope à champ proche optique : la sonde et le
système de régulation de la distance sonde/échantillon. Nous décrirons ensuite notre
appareillage : un microscope à champ proche optique commercial que nous avons fait
évoluer pour son utilisation dans l’étude de structures guidantes. L’ensemble des
composants constituant notre dispositif expérimental sera décrit et nous terminerons ce
chapitre en exposant le protocole expérimental typique de nos mesures.
Note Importante :
Dans la suite de cet exposé, par commodité et bien que sachant qu’il s’agisse d’un
abus de langage, nous utiliserons l’acronyme anglais SNOM (Scanning Near-field
Optical Microscope) pour désigner le microscope à champ proche optique en tant
qu’appareil.
II. GENERALITES
Cette section est consacrée à une étude générale des configurations et des
composants de base d’un SNOM.
II-1. Les différentes configurations de la microscopie en
champ proche optique
Les microscopes à champ proche optique peuvent être séparés en deux principales
familles de configurations expérimentales selon si la sonde est utilisée comme détecteur
du champ proche optique, on dit alors que le SNOM fonctionne en mode collection, ou
si la sonde est utilisée comme source de création des ondes évanescentes, on parle alors
du mode illumination.
Le mode illumination
Un schéma de principe est présenté sur la Figure II-1. Dans cette configuration, c’est
le champ évanescent créé par le confinement de la lumière au niveau de la nano-
ouverture qui est utilisé pour sonder l’échantillon. Ce dernier diffracte la lumière émise
par la sonde et on recueille les informations liées au champ proche de l’objet en champ
lointain. On peut alors différencier deux nouveaux modes de fonctionnement selon si la
lumière diffractée est détectée en réflexion ou en transmission. Le mode illumination
peut dès lors être utilisé pour sonder localement la réflectivité ou l’absorption des
matériaux. Nous pouvons également entrevoir l’utilité d’une telle configuration pour,
par exemple, l’excitation locale de molécules fluorescentes ou d’échantillons

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nanostructurés tels que les matériaux semi-conducteurs comportant des boites
quantiques. L’utilisation du SNOM en photolithographie utilise, bien entendu,
également le mode illumination. Enfin nous pouvons également noter que cette
configuration fut la première mise en œuvre en microscopie en champ proche optique
[1] et quelle est la base de la plupart des expériences de champ proche optique.
Figure II-1 : Configuration SNOM en mode illumination. Le champ évanescent créé
par la pointe sonde les détails de l’objet. La lumière diffractée est récupérée en champ
lointain par réflexion ou transmission.
Le mode collection
En mode collection, on illumine l’échantillon en champ lointain créant un champ
évanescent à sa surface. La sonde vient alors perturber ce champ et le rend propagatif,
donc détectable. De nombreuses configurations expérimentales (voir Figure II-2)
découlent de ce mode de fonctionnement de part la diversité des solutions s’offrant à
l’expérimentateur pour créer le sus-mentionné champ évanescent et pour détecter les
ondes diffractées par la sonde. En effet, trois possibilités d’illumination s’offrent à
nous : illumination par transmission, par réflexion ou encore par réflexion totale interne
sur la surface inférieure de l’échantillon. A partir de ces trois possibilités d’illumination,
existent encore trois solutions possibles pour collecter la lumière diffractée. Soit
directement par la sonde, lorsque cette dernière permet le guidage de la lumière, soit par
les même méthodes que dans le cas du SNOM en mode illumination, c’est à dire en
réflexion ou en transmission. Un SNOM utilisé en configuration d’éclairage en réflexion
totale porte le nom de Photon Scanning Tunneling Microscope (PSTM) ou Scanning
Tunneling Optical Microscope (STOM), par analogie avec l’effet tunnel électronique.
En microscopie en champ proche appliquée à l’optique guidée, c’est précisément le
mode collection que nous utilisons. Mais ici, la lumière détectée par la pointe vient de la
perturbation de la partie évanescente des modes propagés dans la structure. La Figure
II-3 illustre le phénomène. Là encore, la lumière diffractée par la pointe peut être
récupérée soit par la pointe elle-même, soit en champ lointain.

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Figure II-2 : Configurations SNOM en mode collection. (a)-(b) Illumination de
l’échantillon par réflexion ou transmission et collection par la fibre (a) ou collection en
champ lointain (b). (c) Illumination en réflexion totale sur la surface inférieure de
l’échantillon.
Figure II-3 : Configuration SNOM pour l’optique guidée.
Notons pour finir qu’il est également possible de combiner les modes illumination et
collection en un mode hybride ou la sonde sert à la fois de source et de capteur du
champ évanescent.