L’objectif de la thèse est de modéliser l’interaction rayonnement-matière en microscopie optique de champ-proche sans ouverture ASNOM (Apertureless Scanning Near-Field Optical Microscopy), de manière à fournir une méthode prédictive de formation des images. En effet, le calcul du champ électromagnétique, diffracté par la sonde et les objets matériels impliqués dans cette microscopie, doit tenir compte avec précision de la forme des structures mises en jeu et doit pouvoir révéler les forts gradients du champ-proche. Plusieurs groupes expérimentaux utilisent cette technique expérimentales dans le monde mais aucun modèle à ce jour ne décrivait à la fois l’interaction électromagnétique complexe entre l’illumination, la sonde et l’échantillon et la détection. L’approche que nous proposons est celle des éléments finis avec maillage adaptatif. Nous formulons du problème avant de le valider par des comparaisons avec des méthodes souvent utilisées dans le domaine du champ-proche optique (méthode de Green, FDTD...). Dans la seconde partie, nous abordons l’étude du confinement de la lumière à l’extrémité nanométrique de la sonde du microscope et nous proposons un modèle réaliste pour expliquer les images obtenues à l’aide d’un ASNOM. En plus des interactions sonde-objet-substrat, ce modèle prend aussi en compte la vibration de la sonde et l’objectif de microscope utilisé pour détecter le signal optique. Le bon accord des résultats de simulations avec les expérimentaux encourage à utiliser la méthode des éléments finis

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 ABORDE L'ANALYSE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DES IMAGES OBTENUES A L'AIDE D'UN MICROSCOPE OPTIQUE EN CHAMP PROCHE A SONDE SANS OUVERTURE (APERTURELESS SNOM) UTILISANT DES SONDES VIBRANTES EN SILICIUM ET EN NITRURE DE SILICIUM. LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL SE COMPOSE D'UN MICROSCOPE A FORCE ATOMIQUE (AFM) COMMERCIAL MODIFIE POUR INTEGRER UNE DETECTION OPTIQUE. LA SONDE AFM JOUE UN DOUBLE ROLE : EN PLUS DE SON ROLE DE DETECTEUR DES FORCES INTER-ATOMIQUES ENTRE SON L'EXTREMITE ET LA SURFACE DE L'ECHANTILLON, ELLE EST RESPONSABLE DE LA DIFFUSION DU CHAMP PROCHE OPTIQUE CONFINE AU DESSUS DE CETTE SURFACE. CETTE CONFIGURATION PERMET UNE ACQUISITION SIMULTANEE DES IMAGES SNOM (OPTIQUES) ET DES IMAGES AFM (TOPOGRAPHIQUES). LES PREMIERS RESULTATS, OBTENUS SUR UN ECHANTILLON TEST, MONTRENT UNE DEPENDANCE DES IMAGES SNOM A DES PARAMETRES PUREMENT OPTIQUES, TELS QUE LA POLARISATION DU FAISCEAU INCIDENT ET LES DIRECTIONS D'ILLUMINATION ET DE DETECTION. CES IMAGES SONT EGALEMENT SENSIBLES A LA DISTANCE MOYENNE SONDE-ECHANTILLON ET A L'AMPLITUDE DE VIBRATION DE LA SONDE. LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL EST ENSUITE VALIDE PAR LA DETECTION D'UN CHAMP PROCHE OPTIQUE DE REFERENCE (L'ONDE EVANESCENT DE FRESNEL) ET PAR UNE COMPARAISON DES RESULTATS EXPERIMENTAUX AVEC DES CALCULS ISSUS DE LA MODELISATION DE LA DETECTION OPTIQUE. UNE PREMIERE APPLICATION DE NOTRE CONFIGURATION HYBRIDE AFM/SNOM CONCERNE L'IMAGERIE DE FLUORESCENCE. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT DES IMAGES COMPLEXES QUI DEMANDENT DES EXPERIENCES COMPLEMENTAIRES ET UNE COMPARAISON AVEC DES CALCULS NUMERIQUES UTILISANT UN MODELE REALISTE POUR LES INTERPRETER. LA DERNIERE PARTIE DE CE TRAVAIL TRAITE D'UNE ETUDE PRELIMINAIRE SUR LA MODELISATION DE LA DETECTION DES IMAGES DE SNOM UTILISANT UNE SONDE SANS OUVERTURE DANS LE MODE VIBRANT.

Ce travail de thèse traite l'interaction d'un champ lumineux incident avec l'extrémité d'une sonde SNOM sans ouverture. Dans des conditions d'éclairage appropriées, une exaltation localisée du champ electromagnétique a lieu au voisinage immédiat de la pointe éclairée. Ce phénomène, connu sous l'effet de pointe optique, génère une source lumineuse très intense et fortement confinée spatialement à l'extrémité de la sonde. Une idée originale a été proposée pour mettre en évidence expérimentalement en champ proche cet effet de pointe et permettre d'entreprendre une étude paramétrique relativement complète d'un tel phénomène. Une modélisation numérique de ce dernier a été aussi effectuée et confrontée aux résultats expérimentaux obtenus. Cette étude a permis en définitive de dégager les conditions optimales d'excitation de la nanosource optique et de définir un protocole de lithographie optique avec une résolution manométrique