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.

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

Observer la propagation de la lumière dans les structures guidantes est difficile voire impossible avec des dispositifs optiques standards. La microscopie optique en champ proche permet cette observation en utilisant des sondes fabriquées à partir de fibres optiques étirées. On parle de sondes à ouverture optique. Nous proposons, dans cette thèse, pour la première fois, de réaliser ces études avec des sondes de la microscopie à force atomique, métalliques ou semi-conductrices. On parle alors de sondes sans ouverture optique. Un microscope optique en champ proche à sonde sans ouverture a donc été développé à partir d'un AFM commercial et utilisé pour la caractérisation de guides d'ondes réalisés par échange d'ions. Après avoir montré comment détecter un champ évanescent en utilisant le mode contact intermittent de l'AFM et une détection synchrone, le processus de formation des images est analysé en détail. Il met en évidence un effet interférométrique entre le champ guidé, diffusé par la sonde et la lumière diffusée par les défauts de surface. Un tel microscope peut alors conduire à la détermination des grandeurs caractéristiques d'une structure guidante : cartographie du champ propagé, profils de mode en sortie de composant, mesure de constantes de propagation. Nous présentons le montage expérimental, les résultats sur la caractérisation de guides d'ondes confinés, l'observation du déséquilibres d'une jonction Y et le développement d'une détection interférométrique hétérodyne pour améliorer les performances

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).