L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL A ETE D'ETUDIER ET DE DEVELOPPER UNE NOUVELLE TECHNIQUE DE MICROSCOPIE OPTIQUE EN CHAMP PROCHE (SNOM) AYANT LA PARTICULARITE D'UTILISER UNE POINTE METALLIQUE SANS OUVERTURE A LA PLACE DE NANO-OUVERTURES CLASSIQUEMENT UTILISEES. APRES AVOIR DECRIT LES PRINCIPALES CONFIGURATIONS SNOM EXISTANTES, NOUS PRESENTONS LE PRINCIPE PROPOSE ET DECRIVONS LE MONTAGE EXPERIMENTAL REALISE POUR LE CONCRETISER. LE MICROSCOPE DEVELOPPE TRAVAILLE EN REFLEXION, IL EST COUPLE A UN MICROSCOPE A FORCE ATOMIQUE (AFM), UTILISANT LA MEME POINTE, FONCTIONNANT EN MODE TAPPING. UNE FOIS LE MICROSCOPE EN CHAMP PROCHE REALISE NOUS AVONS ETUDIE LES INTERACTIONS ENTRE LA POINTE ET LA SURFACE DE L'ECHANTILLON ET EN AVONS DEDUIT LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES. DE NOMBREUSES IMAGES DANS LE VISIBLE (LONGUEUR D'ONDE = 0.67 MICRON) D'ECHANTILLONS DETERMINISTES (RESEAUX, LIGNES, MARCHES) ONT REVELE DANS UN PREMIER TEMPS UNE RESOLUTION OPTIQUE MEILLEURE QUE 100 NM A L'AIDE DE POINTES COMMERCIALES EN TUNGSTENE. PAR LA SUITE, L'UTILISATION DE POINTES EN TUNGSTENE QUE NOUS FABRIQUONS PAR ELECTROCHIMIE NOUS A PERMIS D'ATTEINDRE UNE RESOLUTION MEILLEURE QUE 15 NM (LONGUEUR D'ONDE SUR 45). DE PLUS, UNE INDEPENDANCE INDENIABLE ENTRE LES SIGNAUX SNOM ET AFM A ETE MIS EN EVIDENCE. L'UTILISATION DU MICROSCOPE DANS L'INFRAROUGE MOYEN (LONGUEUR D'ONDE = 10.6 MICRONS) A CONFIRME L'INTERET DE CETTE NOUVELLE APPROCHE PUISQUE NOUS AVONS ATTEINT UNE RESOLUTION D'ENVIRON LONGUEUR D'ONDE SUR 600 DANS CE DOMAINE SPECTRALE

Ce travail de recherche se situe dans la dynamique des microscopies dites en "champ proche" ou à sondes locales. La résolution de ces microscopies dépend des effets physiques liés à la géométrie de la sonde et au type d'interaction de cette dernière avec l'échantillon à analyser. Dans ce contexte, nous avons développé, réalisé et exploité un instrument combinant deux détections : l'une optique et l'autre à forces atomiques. La première permet de déterminer la distribution du champ lumineux au voisinage immédiat de l'objet tandis que la détection de force fournit la topographie du même site de l'objet. La double détection a été démontrée. A partir de ces deux informations, il est possible de mieux comprendre les phénomènes d'interaction matière-rayonnement à l'échelle nanométrique et de mettre en évidence les effets optiques directement liés soit à la topographie soit à la nature physico-chimique de l'objet. Deux essais d'optimisation des images optiques ont été développés, soit par métallisation de la pointe, soit par l'exploitation de l'interférométrie optique en champ proche. Le dernier chapitre est une modélisation des microscopes optiques en champ proche basée sur un calcul perturbatif au premier ordre permettant de calculer le champ électromagnétique diffracté par l'ensemble sonde-objet (méthode couplée).

Après avoir classé les différentes sondes existant en champ proche optique, nous présentons une nouvelle sonde polymère pour la microscopie en champ proche optique. Nous décrivons sa fabrication et ses principales caractéristiques optiques avant de présenter les améliorations pouvant être amenées à ces sondes afin d’améliorer leur résolution. Afin d’utiliser ces nouvelles sondes, un microscope optique en champ proche (SNOM) utilisant un système d’asservissement basé sur un diapason de quartz a été développé. Nous présentons le dispositif expérimental en se concentrant sur le développement du système d’asservissement. Puis, nous exposons quelques résultats expérimentaux obtenus avec les nouvelles sondes polymères. Ainsi nous présentons deux études de luminescence : une étude d’un échantillon luminescent nanostructuré nous permettant d’estimer la résolution de la sonde utilisée, et une étude sur la luminescence du silicium poreux nano-structuré par voie optique. Ensuite nous présentons des résultats obtenus sur des échantillons de l’optique guidée et l’optoélectronique : une étude de mode sur une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), puis une nouvelle méthode pour cartographier l’indice de réfraction à l’intérieur d’une structure guidante, enfin, nous observons les modes se propageant dans un guide optique ce qui nous permet de tester un autre aspect de la sonde polymère. Finalement, nous présentons une étude du couplage entre des fluoropohores et des nanoparticules métalliques

LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES QUI REGISSENT LA FORMATION DES IMAGES SNOM EST L'IDEE DIRECTRICE DE CE MANUSCRIT. NOUS ABORDONS CE PROBLEME DANS LE CAS PARTICULIER D'UN MICROSCOPE SNOM UTILISANT UNE SONDE DIFFUSANTE EN TUNGSTENE TRAVAILLANT DANS LE MODE AFM CONTACT-INTERMITTENT. NOUS DECRIVONS D'ABORD LES POTENTIALITES DU MICROSCOPE QUE NOUS AVONS DEVELOPPE AINSI QUE LES DIFFERENTES ETAPES QUI MENENT A LA FORMATION DE L'IMAGE SNOM DANS LE MODE VIBRANT QUE NOUS UTILISONS. CETTE PARTIE NOUS PERMET EGALEMENT DE DISCUTER DE LA DEPENDANCE DU SIGNAL OPTIQUE AVEC LE COMPORTEMENT MECANIQUE DE LA SONDE AU COURS DE L'IMAGERIE. NOUS PRESENTONS ENSUITE DEUX ETUDES PARTICULIERES QUI NOUS ONT PERMIS D'ETABLIR LA SENSIBILITE DE LA SONDE AUX CARACTERISTIQUES DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE AUQUEL ELLE EST SOUMISE. L'ETUDE DE COMPOSANTS DE L'OPTOELECTRONIQUE EN EMISSION FAIT L'OBJET DE LA PREMIERE ETUDE. L'INSTRUMENTATION OPTIQUE POLYVALENTE, DONT EST DOTE NOTRE MICROSCOPE, NOUS A PERMIS D'ETUDIER L'INFLUENCE DE L'AMPLITUDE DE VIBRATION DE LA SONDE, DE LA DIRECTION DE COLLECTION DU SIGNAL OPTIQUE AINSI QUE DE LA FREQUENCE DE DEMODULATION SYNCHRONE SUR LE CONTENU DE L'IMAGE SNOM. NOUS AVONS AINSI PU DEFINIR UNE CONFIGURATION EXPERIMENTALE OPTIMALE DANS LA DESCRIPTION DU MODE EMIS PAR UNE DIODE LASER. DANS CETTE ETUDE, NOUS AVONS MIS EN VALEUR LA CAPACITE DE LA SONDE A SE COMPORTER COMME UN DETECTEUR LOCAL DE LUMIERE. LA DEUXIEME ETUDE PRESENTE UNE EXPERIENCE DE PHOTOPOLYMERISATION SUB- QUI NOUS A PERMIS DE DEMONTRER LA CAPACITE D'UNE SONDE METALLIQUE A SE COMPORTER COMME UNE SOURCE LUMINEUSE LOCALE. NOUS UTILISONS UNE SONDE EN TUNGSTENE DANS LES CONDITIONS D'EXALTATION DU CHAMP POUR PHOTOINDUIRE LOCALEMENT LE PROCESSUS DE POLYMERISATION. NOUS PRESENTONS DEUX CONFIGURATIONS EXPERIMENTALES POUR LESQUELLES UNE EXALTATION LOCALE A DONNE LIEU A LA CREATION D'UN OBJET POLYMERE DE TAILLE NANOMETRIQUE ET DISCUTONS DES RESULTATS SOUS LEUR ASPECT OPTIQUE ET PHYSICO-CHIMIQUE.

LE TRAVAIL PRESENTE DANS CETTE THESE EST UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE DE LA MICROSCOPIE THERMOELASTIQUE EN CHAMP PROCHE. UN PROTOTYPE DE MICROSCOPE EST REALISE EN UTILISANT LE CONCEPT DES MICROSCOPIES A SONDE LOCALE. L'EXCITATION PHOTOTHERMIQUE D'UNE SURFACE ET LA MESURE INTERFEROMETRIQUE DE LA DEFORMATION RESULTANTE SONT OBTENUES PAR INJECTION DANS UNE FIBRE OPTIQUE DE DEUX FAISCEAUX LASER DE LONGUEURS D'ONDE DIFFERENTES. L'UTILISATION D'UNE FIBRE OPTIQUE ETIREE DONT L'EXTREMITE N'EXCEDE PAS 100 NM, COMME EMETTEUR ET CAPTEUR PERMET D'OBTENIR UN FONCTIONNEMENT EQUIVALENT A CELUI D'UN MICROSCOPE OPTIQUE EN CHAMP PROCHE EN REFLEXION. L'ASSERVISSEMENT DE LA DISTANCE SONDE-OBJET EST ASSURE A L'AIDE D'UNE METHODE UTILISANT LE COUPLAGE ACOUSTIQUE PAR L'AIR. D'UN POINT DE VUE THEORIQUE, UN MODELE 3D THERMOELASTIQUE EST EXPLOITE DE MANIERE A MIEUX ANALYSER LES CONTRIBUTIONS OPTIQUE, THERMIQUE ET MECANIQUE DANS LA RESOLUTION FINALE DES IMAGES. UN COMPLEMENT EST INTRODUIT AFIN DE PRENDRE EN COMPTE LE CAS D'UNE EXCITATION DE DIMENSION INFERIEURE A LA DEMI-LONGUEUR D'ONDE OPTIQUE

Les techniques de microscopie optiques dites classiques sont limitées en résolution latérale par le critère de Rayleigh. La microscopie en champ proche optique à balayage (Scanning Near-field Optical Microscopy: SNOM) repose sur l'emploi d'une sonde de taille nanométrique (sublongueur d'onde) comme nano-détecteur (SNOM en mode collection) ou comme nano-source (SNOM en mode transmission). Cette sonde est basée sur des leviers de microscopie à force atomique (Atomic Force microscopy: AFM) classiques en Nitrure de Silicium métallisés et comportant une ouverture de 80nm. Cette thèse est destinée à la mise en place d'un AFM couplé à un SNOM en vue de l'obtention d'images simultanées de la topographie et du signal optique issu d'échantillons fluorescents. Après avoir présenté à la fois les différentes techniques classiques dédiées à la détection de fluorescence ainsi que les techniques de champ proche, les trois bancs de mesures utilisés (fonctionnant en mode illumination ou en mode collection en transmission) sont détaillés. L'imagerie AFM nécessitant une fixation de l'échantillon sur son support, différents protocoles de fixation sont présentés et leurs efficacités discutées selon le type d'échantillon et au regard de résultats AFM. Des simulations électromagnétiques sur la transmission optique de la pointe selon qu'elle fonctionne comme source ou détecteur sont réalisées, permettant de valider le mode SNOM en illumination en transmission. Enfin, l'étude d'un SNOM du commerce et du SNOM mis en place est basée sur l'imagerie AFM et Fluorescence-SNOM sur trois échantillons types: des bactéries (Escherichia coli) exprimant une protéine fluorescente (EGFP: Enhanced Green Fluoresceent Protein), des billes fluorescentes de diamètre 100nm et enfin des brins d'ADN peignés sur lame de verre