Faculté des sciences

Apertureless Scanning near-Field Optical Microscope Probe for Transmission Mode Operation

Aeschimann, Laure ; Stauffer, Urs (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel : 2004 ; 1765.

La résolution en microscopie classique est limitée par la diffraction de la lumière. Grâce à la microscopie optique en champ proche (SNOM), il est possible de dépasser cette barrière. De plus, cette technique permet d’obtenir conjointement à l’image optique, une image de la topographie de la surface de l’échantillon, de façon similaire à celle obtenue en microscopie à force... Plus

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    Résumé
    La résolution en microscopie classique est limitée par la diffraction de la lumière. Grâce à la microscopie optique en champ proche (SNOM), il est possible de dépasser cette barrière. De plus, cette technique permet d’obtenir conjointement à l’image optique, une image de la topographie de la surface de l’échantillon, de façon similaire à celle obtenue en microscopie à force atomique. Une application à large échelle de la microscopie optique en champ proche est toutefois freinée par la difficulté de produire des sondes reproductibles, bon marché et de haute qualité. La motivation de cette thèse est le développement d’une telle sonde adaptée à la production de masse. La sonde développée est constituée d’une pointe transparente haute de 11µm fabriquée en Si02 et intégrée sur un levier en silicium. Cette sonde est adaptée à tous les modes de fonctionnement connus en microscopie à force atomique. Une ouverture dans le levier, située juste au-dessous de la pointe, permet le couplage ou la détection de la lumière. Le procédé de microfabrication des sondes a été adapté aux normes industrielles. Une forte trans-mission de lumière peut être mesurée à travers les pointes, bien que celles-ci soient entièrement recouvertes d’une couche opaque de métal, comme par exemple de l’aluminium. De plus, il a été démontré que ces sondes permettent d’atteindre une résolution optique inférieure à 100nm. Afin d’étudier les mécanismes physiques permettant à la lumière de se propager et d’être transmise à travers de telles sondes, des modélisations théoriques ainsi que différentesexpériences ont été effectuées. La théorie ainsi que les résultats expérimentaux obtenus suggèrent qu’un effet de champ apparaît au bout de la pointe. Aucune excitation de plasmons dans la couche métallique n’est observée. En outre, une plus forte transmission est mesurée à travers des pointes dont l’angle d’ouverture est plus faible, ce qui a été également confirmé par le modèle théorique. Une émission de lumière très caractéristique est observée en fonction de l’état de polarisation. Le modèle théorique prédit que deux modes du champ électromagnétique se propagent dans la pointe. Le mode polarisé radialement crée un champ très confiné au bout de la pointe, alors que le mode polarisé linéairement produit une fuite de lumière sur les flancs de la pointe. Les propriétés de polarisation de la lumière émise par la pointe ont été étudiées lorsqu’un faisceau de lumière polarisé linéairement est couplé dans la pointe et qu’un polariseur est placé devant le détecteur. En effet, dans le cas d’un polariseur placé parallèlement ou perpendiculairement à la polarisation d’entrée, deux émissions très caractéristiques sont observées. Nous pensons que ces états de polarisation observés peuvent être interprétés en termes de modes se propageant dans la pointe. Dans ce cas, même si un faisceau de lumière polarisée linéairement est couplé dans la pointe, les deux modes sont excités. En se basant sur cette interprétation, une meilleure qualité d’image est attendue et effectivement observée lorsqu’un polariseur est utilisé lors de la mesure afin de bloquer l’émission de lumière sur les flancs de la pointe. Il est important de signaler que des résultats non reproductibles ont été obtenus avec des sondes fabriquées de façon reproductible. Les différentes expériences de caractérisation des sondes ont démontré qu’un grand nombre de paramètres, tels que le couplage de la lumière ou la rugosité du métal doit être pris en considération lors de l’expérimentation avec les sondes. Par conséquent, l’interprétation des résultats obtenus est extrêmement complexe.
    Summary
    In addition to providing optical imaging at the subwavelength scale with high resolution topography, a main ad-vantage of scanning near-field optical microscopy (SNOM) is its capability to benefit from the various contrast mechanisms of conventional optical microscopy. However, broad application of SNOM suffers from the difficulty of producing inexpensive probes of high reproducible quality. The motivation of this thesis is the development and the characterization of a microfabricated probe which is well suited for mass production. The developed probe comprises a 11µm high Si02 tip integrated on a silicon cantilever, which permits its operation in all modes of force microscopy. Underneath the tip, a hole is etched in the cantilever for light injection or detection from the backside. The microfabrication of the probes has been adapted to meet industrial standards. Despite the fact that the tips are entirely coated with an opaque metal layer, for instance aluminum, high light throughput can be observed. Moreover, high optical resolution imaging below 100nm could be demonstrated with such probes. Theoretical modelling and several far-field and near-field experiments have been performed in order to investigate the mechanism of light transmission through the probes as well as the physical process of image formation. Theoretical calculations and experimental results suggest that a field enhancement occurs at the tip apex due to lightning rod effect. No plasmon effects are expected and indeed observed. Moreover, sharper tips show higher transmittance, what is also verified by the theoretical model. Further, very pronounced emission characteristics of the probes are shown as function of the considered polarization state. The theoretical model predicts that two modes propagate in the probe. The radially polarized mode leads to a subwavelength field confinement at the tip apex whereas the linearly polarized mode induces a light leakage at the tip flanks. Experimentally, when coupling linearly polarized laser light into the tip, characteristic far-field emission patterns are observed, when polarizers positioned in front of the cantilever entrance and behind the tip apex, are either parallel or crossed by 90 degrees. We assume that these experimentally observed polarization states can be understood in terms of the modes propagating through the tip. If so, both modes are excited at the tip entrance or exit even if linearly polarized light is injected. Based on this interpretation, when a polarizer is used in order to block the light leaking at the tip walls, a better image quality is expected and indeed observed. It is important to notice that non repeatable results have been obtained with reproducibly fabricated probes. The different probe characterizations have shown that a large number of different parameters, like light coupling aspects or the metal coating roughness, must be taken into consideration when experimenting with the probes and that the interpretation of the obtained results is very complex.