Imagerie et spectroscopies en champ proche optique : de la nano-sonde à la caractérisation des matériaux

Near-field optical microscopy and spectroscopy : from the nano-probe to material characterization

• Auteur / Autrice : Marc Chaigneau
• Direction : Guy Louarn, Tiberiu Minea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique du solide, sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et technologies de l'information et des matériaux (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmons

Spectroscopie Raman

Microscopie en champ proche

Résumé

Les propriétés singulières des ondes évanescentes ont permis le développement de la microscopie en champ proche optique, mais également l’émergence de capteurs moléculaires basée sur l’excitation de plasmons de surface. Ce travail de thèse est consacré au développement de nano-sondes à base de fibres optiques destinées à ces deux applications. Après un état de l’art des différents procédés de la littérature, ce travail aborde une nouvelle approche pour créer des nano-sondes optiques. La gravure chimique, pour créer une pointe à l’extrémité d’une fibre conique, est premièrement optimisée. Les étapes suivantes sont réalisées dans un dispositif plasma original, basé sur une décharge en régime de cathode creuse cylindrique. Pour finaliser la fabrication des sondes, les pointes métallisées sont ouvertes in situ avec une micro-étincelle obtenue via une décharge couronne en configuration pointe-plan. Notre microscope est ensuite détaillé et une étude paramétrique est menée afin d’optimiser la formation des images, les capacités de résolution du sont discutées. A titre d’exemple, le microscope est ensuite appliqué à la science des nano-matériaux, et quelles pistes d’investigation de nano-structures sont explorées, ainsi que le potentiel de spectroscopie Raman en champ proche. La spectroscopie résonante des plasmons de surface est aussi abordée. Les sondes spécialement modifiées sont ici destinées à la détection moléculaire en milieu aqueux. Les capteurs ainsi élaborés sont testés dans des microvolumes de solution, et leur capacité d’exaltation du signal Raman est présentée

Evanescent wave uncommon properties allow for the development of scanning near-field optical microscopy (SNOM) and for creating highly sensitive sensors by surface plasmon excitation. This works deals with developments and investigations to produce near-field optical fiber probes for these both applications. After a review of the actual processes, this work reports a new approach for probes manufacturing. The wet-etching process, to create the tip at the apex of a tapered fiber, has been improved. Next process steps, cleaning and coating, are performed in an original arrangement of plasma device, based on a modified hollow cathode discharge. The last step of probe fabrication is the tips opening by a micro-spark between the biased tip and another plane electrode working as a corona-like discharge in point-to-plane configuration. The home-made SNOM is detailed and the probe sensitivity is discussed with respect to different parameters, in order to achieve the highest spatial resolution. Imaging capabilities with nano-materials and the first SNOM-Raman spectra recorded in our laboratory are shown, emphasizing a sub micrometric spectral resolution. The microscale tip sensors based on the plasmon resonance are reported; the probe’s manufacturing process is modified for this spectroscopic approach. The miniaturized sensor allows molecule detection in aqueous environment. The Raman scattering enhancement trough these micro-sensors demonstrates the important role played by the localized plasmon resonance