Microscopie en Champ Proche
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Microscopie en Champ Proche N. Battaglini contact : [email protected] bât. Lavoisier bureau 580 ; tél. : 0157278858 1 « Le nanomonde » • Taille ? • Forme ? • Composition ? • Organisation ? • Structure atomique ? • Propriétés physiques ? • Propriétés chimiques ? 2 Microscopie : laquelle ? Premier microscope (optique) ~ 1600 microscope Zeiss (1879) Microscopie photonique Microscopie à sonde locale Microscopie électronique 3 Microscopie optique image formée par une lentille convergente Axe optique Objet f v u Lentille Plan focal arrière Relation de conjugaison 1 1 1 + = u v f Plan image Grandissement v γ= u 4 Principe du grossissement d'un microscope optique ξ0 ξ'0 grossissement : f1 G= d pp ξ 0 | f1 | ξ 0' dpp : distance minimale de vision nette de l'œil (punctum proximum) dpp = 25 cm 5 Techniques de microscopie optique Microscopie en champ clair Microscopie en champ sombre (lumière diffusée par objet transparent) Microscopie en réflexion (métallographie) Microscopie en lumière polarisée (minéralogie) Microscope à contraste de phase (différence d'indice – échantillons biologiques à faible contraste) Microscopie de fluorescence (imagerie des molécules) Microscopie confocale (sonde lumineuse – monofocale et meilleure résolution) … 6 La limite de diffraction La résolution du microscopes optique (R) est limitée par la longueur d’onde de la lumière visible Critère de Rayleigh sin θ ≥ 1, 22 1, 22 λ λ =k Ernst Abbe (1872) R : ≈ 2n sin α NA Lumière visible : Rmin ≈ 200 nm k ∈ [ 0,6 − 0,8] λ D R≈ λ 2 7 Microscopie optique ultime - microscopie optique confocale avec objectif à immersion ("Solid Immersion Lens" – SIL) - laser 400 nm Résolution mesurée : 160 nm 8 Au-delà de la limite de diffraction • Vertico SMI – Microscopy • Stimulated emission depletion microscopy • Wide-field structured-illumination microscopy • Stochastic optical reconstruction microscopy • Fitting the point-spread function … 9 Microscopie électronique Dualité onde – corpuscule des électrons (L. De Broglie, 1924) 1, 23 λ (nm) ≈ E (eV) 100 kV 3,86 pm 300 kV 2,22 pm 1000 kV 1,22 pm Conception des lentilles électroniques (Hans Busch, 1926) 1 1 1 + = u v f v γ= u Axe optique Objet f Relation de conjugaison v u Lentille Plan focal arrière Plan image 1 e2 = f 4mv 2 ∫ L2 L1 B 2 ( z ) dz 10 Évolution de la microscopie en champ lointain Résolution sub - angström Light microscopy Ernst Ruska et Max Knoll (1933) Ruska Prix Nobel, 1986 Microscopies à champ proche 11 La (grande) famille des microscopes à sonde locale 12 Microscopie en champ proche Structure artificielle formée de plots d'or – diamètre 100 nm AFM SNOM (543 nm) Meilleure résolution qu’en champ lointain MAIS qu’observe t-on ??? 13 SPM les plus populaires Scanning Tunneling Microscope Atomic Force Microscope laser Vt pointe It levier flexible photodiode à 4 cadrans pointe échantillon effet tunnel électronique entre une pointe conductrice et une surface conductrice => mesure d'un courant échantillon interactions à (relativement) courte portée entre la sonde et la surface => mesure de forces (van der Waals, électrostatique, magnétostatique…) 14 Microscopies de pointes Sondes locales SNOM AFM STM 15 Le Microscope à champ proche optique 16 Effet Tunnel Optique Réflexion totale frustrée – Newton (1642-1727) onde évanescente R+T=1 T>0 R=1 fibre optique étirée PSTM ou STOM R<1 R<1 objets R<1 17 SNOM à ouverture (fibre optique métallisée) Résolution : λ 20 i.e. 25 nm à λ = 488 nm 18 SNOM sans ouverture ("apertureless") Sonde nanométrique métallique ou semiconductrice Résolution : 20 à 30 nm 19 Cartographie du champ proche optique Réseau de nanostructures métalliques sur semiconducteur AFM (topographie) SNOM à λ = 1,55 µm Babuty et al. PRL 104 226806 (2010) Remarque Il est également possible d’analyser très localement la réponse des objets aux excitations de différentes longueurs d’onde (spectroscopie locale) 20 Le Microscope à Effet Tunnel 21 Barrière de potentiel quantique V0 Barrière de potentiel V0 V ( z) = 0 m, E< V0 ∀ 0< z<s ailleurs Équation de Schrödinger d 2ψ ( z ) 2m − 2 (V0 − E )ψ ( z ) = 0 2 dz ℏ Probabilité d'effet tunnel de l'électron (masse m, énergie E) : P( E ) ∝ e −2 β .s β = 2m(V0 − E ) / ℏ 2 22 TD Évaluation de la résolution du microscope à effet tunnel …/… 23 24
