Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de la matière complexe IPMC

Scanning near-field infrared microscopy and spectromicroscopy applied to nano-systems and cells

Vobornik, Dušan ; Margaritondo, Giorgio (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3296.

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    Summary
    This thesis further explores the possibilities of scanning near-field optical microscopy (SNOM) in both materials and life sciences. Two experimental SNOM setups were developed: one designed for infrared spectroscopy applications and the other for the imaging of fluorescently labeled samples. The results of the experiments that were conducted with both setups are presented and analyzed in this thesis. Diffraction limits the resolution of lens-based microscopes to a value close to that of the wavelength of the light that is used to illuminate the samples. SNOM instruments overcome this limit by probing the near-field light — the light that remains within close vicinity of the sample and decays exponentially away from it. The SNOM concept and instrumental design are described. A comparison of SNOM with other novel microscopies (electron, atomic force, and scanning tunneling microscopies) outlines the main advantages of SNOM — the sole optical microscopy technique with a nanometer resolution. Aperture-based infrared SNOM (IR-SNOM), performed in the spectroscopic mode using the Vanderbilt University free electron laser, recently started delivering spatially resolved information on the distribution of chemical species and on other laterally fluctuating properties. The IR-SNOM combines the IR spectroscopy's chemical specificity and the SNOM's high optical and topographical resolutions. The IR-SNOM experimental setup is described in detail and results from the study of cells, boron nitride and lithium fluoride thin films are presented and analyzed. They demonstrate the great potential of this new technique. An overview of the development of IR-SNOM, as well as a consideration of its future possibilities are presented. The newly built SNOM instrument at EPFL was used for experiments that are complementary to the aforementioned IR-SNOM experiments. Specifically, the new SNOM enabled the study of fluorescently marked samples. Images of fluorescently labeled cells and carbon nanotubes are presented and analyzed. The results further demonstrate the exciting possibilities of SNOM.
    Résumé
    Cette thèse explore les possibilités de la microscopie en champ proche optique à balayage (scanning near-field optical microscopy ou SNOM) dans la science des matériaux et science de la vie. Deux instruments ont été développés dans le cadre de ce travail : le SNOM combiné avec la spectroscopie infrarouge (IR-SNOM) et le SNOM pour l'imagerie des échantillons aux marqueurs fluorescents. Les résultats des expériences qui ont été effectuées avec ces instruments sont présentés et analysés dans cette thèse. La résolution des microscopes classiques, basés sur l'utilisation des lentilles, est limitée par la diffraction, et sa valeur est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la lumière utilisée pour illuminer l'échantillon. SNOM surmonte cette limite en sondant la lumière dans le champ proche de l'échantillon — la lumière qui ne se propage pas et dont l'intensité diminue exponentiellement avec la distance par rapport à l'échantillon. La comparaison du SNOM avec les autres nouvelles microscopies (microscopies électroniques, à force atomique, et à effet tunnel) souligne les avantages principaux du SNOM — la seule microscopie optique avec une résolution nanométrique. Le SNOM à sonde à ouverture combiné à la lumière infrarouge (IR-SNOM) du laser à électrons libres de l'université Vanderbilt (Etats-Unis) et utilisé en mode spectroscopique, a commencé à livrer des informations sur la distribution latérale des espèces chimiques avec une résolution de l'ordre de 100 nm. Les expériences présentées dans cette thèse montrent le grand potentiel de cette nouvelle technique. Des échantillons comprenant des couches minces de nitrure de bore et de fluorure de lithium, ainsi que des cellules biologiques, ont été étudiés, et les résultats sont présentés et analysés. Une revue des développements du IR-SNOM est présentée et une vision de son essor futur est proposée. Un nouveau SNOM a été construit à EPFL. L'instrument a été utilisé pour des expériences complémentaires à celles du IR-SNOM. Plus précisément, ce nouveau SNOM a servi à l'étude des échantillons aux marqueurs fluorescents. Des images de cellules biologiques et de nanotubes de carbone avec des marqueurs fluorescents sont montrées et analysées. Les résultats démontrent encore une fois les grandes possibilités de la microscopie en champ proche optique à balayage.