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Yannick de WILDE - ESPCI

Champ proche infrarouge et microscope à effet tunnel à rayonnement thermique :


Dans son usage conventionnel, le microscope permet uniquement la formation d’images à partir d’ondes progressives, dont la résolution spatiale est limitée à environ /2, où / est la longueur d’onde d’observation. A l’aide d’un microscope fonctionnant dans l’infrarouge moyen (/10 µm), qui peut être éventuellement couplé avec un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), il est donc a priori totalement exclu d’atteindre une résolution sub-micronique, ou d’étudier des champs purement évanescents tels que les plasmons et les phonons polaritons de surface, confinés à la surface des matériaux dans une zone appelée « champ proche ».
Nous avons développé un microscope infrarouge de champ proche polyvalent qui emploie une sonde locale à balayage qui diffuse les champs électromagnétiques présents à la surface des échantillons étudiés dans la zone de champ proche. La détection du champ proche diffusé par la sonde permet de mesurer des images et des spectres infrarouges avec une résolution spatiale de 100 nm. L’instrument nous a permis de révéler des plasmons de surface générés in situ à l’aide de dispositifs constitués de nanostructures métalliques couplées avec la cavité de lasers semi-conducteurs [1,2].
En l’absence de source laser, le rayonnement thermique est une source de champ électromagnétique propre à l’échantillon, que nous avons exploitée pour développer le microscope à effet tunnel à rayonnement thermique (TRSTM, thermal radiation scanning tunneling microscope) [3]. Celui-ci fonctionne comme une caméra infrarouge à vision nocturne de champ proche, en diffusant l’émission thermique de champ proche à la surface de l’échantillon à l’aide de la pointe d’une sonde locale à balayage. Nous avons réalisé des études d’imagerie infrarouge [3] et de spectroscopie FTIR super-résolues [4, 5] qui mettent en évidence le comportement cohérent « non-Planckien » de l’émission thermique de champ proche associé aux polaritons de surface [6], et le lien étroit qu’il y a entre le signal mesuré par le TRSTM et la densité locale d’états électromagnétiques (EM-LDOS). Ces études montrent que le TRSTM constitue en quelque sorte un STM à photons [7] et qu’il offre des perspectives intéressantes pour l’imagerie et la spectroscopie super-résolues dans l’infrarouge.
[1] A. Babuty, A. Bousseksou, J.−P. Tetienne, I. Moldovan, C. Sirtori, G. Beaudoin, I. Sagnes, Y. De Wilde, R. Colombelli, PHYS. REV. LETT., 104, 226806 (2010).
[2] D. Costantini, L. Greusard, A. Bousseksou, R. Rungsawang, T. P. Zhang, S. Callard, J. Decobert, F. Lelarge, G.-H. Duan, Y. De Wilde, R. Colombelli, NANO LETT., 12, 4693–4697 (2012).
[3] Y. De Wilde, F. Formanek, R. Carminati, B. Gralak, P.-A. Lemoine, J.-P. Mulet, K. Joulain, Y. Chen, J.-J. Greffet, NATURE, 444, 740 (2006).
[4] A. Babuty, K. Joulain, P.-O. Chapuis, J.-J. Greffet, Y. De Wilde, PHYS. REV. LETT., 110, 146103 (2013).
[5] F. Peragut, J.-B. Brubach, P. Roy, Y. De Wilde, APPL. PHYS. LETT., 104, 251118 (2014).
[6] A.V. Shchegrov, K. Joulain, R. Carminati, J.-J. Greffet, PHYS. REV. LETT., 85, 1548 (2000).
[7] R. Carminati, A. Cazé, D. Cao, F. Péragut, V. Krachmalnicoff, R. Pierrat, Y. De Wilde, SURF. SCI. REP., 70, 1 - 41 (2015).

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