nano-optique

Observer des nano-objets avec de la lumière
Bernard Jacquier
Directeur de Recherche CNRS
[email protected]
La problématique:
• peut-on voir des objets de taille nanométrique avec de la lumière?
•Quel est l’intérêt d’observer et d’étudier des nano-objets?
•Où sont les limites?
•et bien d’autres questions
Du naturel…
Opale d’Australie
Morpho d’Amérique du Sud
Une structure périodique…
…à une échelle inférieure à la longueur d’onde
…à l’artificiel
n=1,25
n=1,5
Vitre antireflet
…à l’artificiel
Cu
20 nm
(a)
(b)
Silicon nanopowder observed with (a)
daylight
(b) UV light (254 nm)
(a)
Solution of silicon
nanoparticles
(b)
Spincoating of the solution drop
onto a glass cover slide
Silica powder observed with
(a) daylight
(b) UV light (254 nm)
Solution of silica
nanoparticles
A quoi ressemble une nanoparticule de Silicium
Couche vitreuse SiO2
(passivation)
Observation au MET
Le confinement quantique
Semi-conducteur:
Métal:
Isolant:
Absorption optique due
à des paires électron-trou
Absorption optique due
au gaz d’électrons
Absorption optique
localisation
Plasmon
si le rayon de Bohr effectif est
plus grand que la taille de la particule,
l’énergie de l’exciton en est augmentée
à petite taille:
absorption géante,
dépend de la forme
Excitons/
ou centres localisés
à petite taille:
effets de surface
2-3………………..
10 nm
Toutes les particules sont excitées
avec 1 seul laser (par ex Ar:488nm)
Fonctionnalisation de nanoparticules:
Objet de 10 à 20 nm
plusieurs couches…
Application en biologie:
• imagerie cellulaire, codage ADN
Absorbe 10 fois plus que les molécules
organiques et sont 100 à 1000 plus
stables
Les techniques d’observation:
Champ lointain et Champ proche
L ’optique classique
Optique propagative
- Notion de
- rayon lumineux
- propagation de lumière
-Formation d ’images
- résolution : Limite ? …
donnée par la théorie
ondulatoire : diffraction
S
Critère de Rayleigh
S = 0.611l / nsina
Résolution limite théorique :
de l’ordre de l/2
(M. confocale: l/3)
Experimental setup
Sample
Microscope Confocal
Microscope objective
Beam Splitter
Focusing
Diode Laser
473 nm
Flipping mirror
Eyepiece
Notch filter
Flipping mirror
Fluorescence images
Decay lifetimes
Avalanche
Photo Diode
Spectrometer
CCD camera
Fluorescence spectra
Laser mode polarization conversion
Lens
Pinhole
Lens
Linear
polarizer
Lase
r
Radially
Polarized
Laser Beam
Azimuthally
Polarized
Laser Beam
Beam cross section
Dorn, R., et al., Phys. Rev.
Lett. 91, 233901 (2003).
Mode converter
orientation
Beam cross section
Radial mode
longitudinal component
in-plane component
total field vector
longitudinal component
in-plane component
total intensity
Intensity (a.u.)
1
0.5
0
radially polarized laser
beam
-1.5
-1
-0.5
0.5
0
x (a.u.)
1
1.5
Radial mode
Calculated images
Experimental images
(PI molecules in free space)
Radially polarized
laser beam profile
y
y
x
z
700 nm
y x
x
Single SiO2 NPs TDM orientation
Radial mode (Si/SiO2 NPs) Azimuthal mode (Si/SiO2 NPs)
1 µm
1 µm
longitudinal component
in-plane component
1
Intensity (a.u.)
Intensity (a.u.)
1
0.5
in-plane (total)
component
0.5
0
0
-1.5
-1 -0.5 0 0.5
x (a.u.)
1
1.5
-1.5
-1 -0.5 0 0.5
x (a.u.)
1
1.5
Polystyrene
matrix
Intensity (arb.units)
Intensity (arb.units)
PMMA
matrix
500
600
700
800
Longueur d’onde (nm)
900
500
600
700
800
Longueur d’onde (nm)
Spectroscopie optique de nanoparticules de Si/SiO2
900
L ’optique en champ proche
S ’intéresse aux champs évanescents
- Ondes non propagatives, localisées au
voisinage des objets diffractifs
- Confinement du champ proche: d < l/10
Informations contenues dans les champs diffractés;
- Champs propagatifs : limitation par le critère
de Rayleigh « s ». Visualisation d ’objets de
faibles fréquences spatiales.
- Champs évanescents: informations à des
échelles inférieures à « s ». Objets de hautes
fréquences spatiales
! Il faut aller chercher l ’information là ou elle se trouve...
a>s
a <<s ; F > 2P/l
Dimension a :
F spat = 2P/a
Objets et ondes évanescentes
Génération d ’ondes évanescentes : deux moyens
- Par diffraction
- Par réflexion totale
Réponses:
n1
Topographie :h
e2
e1
n2 < n 1
Topographie :h
+
« diélectrique », p , e ,n
lE(z)I
uniquement
« diélectrique », p, e ,n
« purement optique »
E(r, w) = c(r,w) E(r,w)appliqué
z
E(w)appliqué
E(w’)
« spectroscopique »
Comment analyser des ondes évanescentes….
Principe: « frustration » du champ.
Amène une sonde « diffusante »
(une antenne) dans la zone de
champ proche
Perturbation du champ:
Transforme les champs localisés en
ondes progressives contenant les
informations locales. Elles sont
propagatives, donc détectables (à
grandes distances)
Deux types de sondes
(Deux types de microscopie)
Vibration de la sonde:
discrimination du champ proche
et asservissement
Sondes de type AFM
« sans ouverture »
Fibre optique effilée métallisée ou non
« à ouverture »
La « résolution » dépendra du rayon de courbure de la sonde
…et de sa distance à l ’objet
Principe de fonctionnement d’un appareil « SNOM »
(Scaning Near field Optical Microscope)
Modes de fonctionnement du TWIN-SNOM
(OMICRON)
Q u ic k T im e ™
et
un
déc om pr esseur
G r a p h iq u e
s ont
r e q u is
p our
v is io n n e r
cet t e
im a g e .
Différents modes de fonctionnement
(Cas des sondes à ouverture)
Source
Détecteur : PM, Spectro.
Détecteur : PM, Spectro.
Source
Réflection
Réflection
Transmission (absorption..)
Transmission
Détecteur : PM, Spectro.
Source
Mode de collection
Mode d ’illumination
Q u ic k T im e ™
et
un
déc om pr esseur
G r a p h iq u e
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« Le TWIN-SNOM OMICRON »
Q u ic k T im e ™
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un
déc om pr esseur
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« Le TWIN-SNOM OMICRON »
L’objectif spécifique de réflection
Q u ic k T im e ™
et
un
déc om pr esseur
G r a p h iq u e
s ont
r e q u is
p our
v is io n n e r
cet t e
im a g e .
« Le TWIN-SNOM OMICRON »
Principe de l’objectif de réflexion
Photodetector
Collection
objective
Blue
Filter
Principe d’étude d’un guide optique par « SNOM »
Guides MMI
Guide dans LiNbO3 implanté
Création des centres colorés par
faisceau d’électrons
faisceau d'électrons
focalisés
 microscope électronique à
balayage équipé d’un logiciel de
commande spécifique
échantillon
de LiF
 ensemble de bandes colorées
par lithographie à la surface de
monocristaux de LiF (taillés et
polis optiquement)
Présentation DRRT/Région – 01/02
Configuration expérimentale
filtre coupant la
longueur d'onde
d'excitation
photo-détecteur
ordinateur
monochromateur
Source
l = 458 nm
échantillon
Présentation DRRT/Région – 01/02
Configuration SNOM utilisée
objectif de
collection en mode
réflexion
fibre optique
metalisée
Source
échantillon
longueur
d’onde
d’éclairage l = 457nm
(laser à argon)
- puissance à l'entrée de la
fibre ~ 3 mW
objectif de collection en
mode réflexion
fibre optique effilée
Le signal optique, après réflexion
sur l’échantillon, est collecté en
champ lointain avec un objectif
spécifique OMICRON et est envoyé
vers un détecteur.
Présentation DRRT/Région – 01/02
AFM Image
Fluorescence SNOM Image
Intensité en unités arbitraires
Near-field luminescence of color centers created on a LiF thin film.
Samples were prepared by electron beam lithography. Lines have
Widths of 5µm, 2µm, 1µm, 500 nm to 200nm.
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
Longueur d'onde en nanométres
Fluorescence was detected at a fixed position of the tip for each line from
5µm (red) to 200nm (black) under excitation at 457nm using the fiber tip.
Un dernier exemple qui allie structure photonique et champ proche