Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique des nanostructures IPN

Apertureless SNOM : a new tool for nano-optics

Bek, Alpan ; Kern, Klaus (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3073.

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    Summary
    In this thesis a new scanning near field optical microscope based on an apertureless scattering technique is introduced for resolving optical properties of surfaces with lateral resolution reaching 10 nm and better. The construction of the instrument is based on a dynamic mode operating atomic force microscope (AFM) which is coupled with a sophisticated heterodyne interferometric optical detection system. A continuous wave (cw) laser beam is focused onto the apex of the metallic or dielectric AFM tip. The backscattered light is collected and interfered with a reference beam which is slightly shifted in frequency with respect to the scattered beam. The interfering signals are detected by a fast avalanche photodiode. The result is a temporal beat modulation at the shift frequency. The scattered light consists of two parts of different spatial origin. One of them is the near field that contains information belonging to a very small vicinity of tip apex interacting with surface. The second part is the far field part which comes from parasitic scattering along the illuminated tip body and the sample surface. By demodulating the beat signal at higher harmonics of the tip vibration, the far field part can be suppressed effectively, leaving only the near field information of the surface-tip interaction. By raster scanning the sample under the AFM tip, information about the amplitude and phase of the near field belonging to the surface is obtained simultaneously with topography. This new apertureless scanning near field optical microscope (a-SNOM) features several advantages over the well-known aperture SNOM: High resolution limited essentially only by the tip apex dimension, and effective background suppression. Particular care has been taken in the operation settings of the AFM, since they are shown to be one of the sources of artifacts in the detected signal due mechanical nature of the AFM. When proper conditions are met, these mechanical interaction artifacts are minimal and the a-SNOM produces essentially only optical information. The demonstration of the a-SNOM operation on Au pattern on glass surface and Ag colloid on Si surface systems show that a high sensitivity to material contrast as well as a high spatial resolution is achieved.
    Résumé
    L'objet de ce travail de thèse est le développement d'un nouveau microscope optique en champ proche à balayage. Le principe de fonctionnement de cet appareil repose sur une technique de diffusion dite apertureless qui permet l'étude des propriétés optiques de surface avec une résolution spatiale inférieure à 10 nm. L'instrument est construit autour d'un microscope à force atomique (AFM) fonctionnant en mode dynamique, couplé à un système de détection par interféromètrie hétérodyne novateur. Un faisceau laser continu (cw) est focalisé à l'apex de la pointe métallique ou diélectrique de l'AFM. La lumière rétrodiffusée est collectée et interfère avec un faisceau de référence dont la fréquence est légèrement décalée par rapport à celle du faisceau diffusé. Le signal résultant, un battement à la fréquence de décalage, est détecté par une photodiode rapide à avalanche. La lumière diffusée est la superposition de deux contributions d'origines spatiales différentes. L'une d'elles est le champ proche qui contient l'information correspondant au voisinage immédiat de la pointe en interaction avec la surface. L'autre contribution est liée au champ lointain parasite diffusé par l'ensemble de la pointe et par l'échantillon. La démodulation du signal de battement à des fréquences correspondant aux harmoniques élevées de la vibration de la pointe permet de supprimer efficacement le signal de champ lointain et, ainsi, d'extraire l'information de champ proche liée à l'interaction pointe-surface. En balayant l'échantillon sous la pointe de l'AFM, l'amplitude et la phase du champ proche de surface peuvent être enregistrées en même temps que la topographie de l'échantillon. Ce nouveau microscope optique en champ proche à balayage apertureless (a-SNOM) possède plusieurs avantages par rapport à la configuration classique aperture: sa haute résolution est essentiellement limitée par les dimensions de l'apex de la pointe et il permet de supprimer efficacement le fond parasite. Un soin particulier a été porté à la détermination des paramètres d'opération de l'AFM, ceux-ci pouvant être une source d'artefacts liés à la nature mécanique du dispositif. Dans ces conditions, ces artefacts d'origine mécanique sont extrêmement réduits et l'information délivrée par le a-SNOM est quasiment exclusivement d'origine optique. Des expériences réalisées sur différents échantillons (motifs d'or déposés sur une surface de verre, colloïdes d'argent sur une surface de silicium) ont permis de démontrer un contraste optique très élevé entre matériaux de natures différentes ainsi qu'une excellente résolution spatiale.