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De l’optique « en plein champ » avec un microscope à effet tunnel

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Tête AFM/STM du fournisseur Bruker sur un microscope optique Zeiss

L’un de nos montages expérimentaux est basé sur une tête AFM/STM commerciale combinée à un microscope optique inversé qui est équipé d’un objectif à grande ouverture numérique (NA > 1).

Dans une expérience typique, le courant tunnel inélastique entre la pointe du STM et l’échantillon excite des plasmons de surface ou des excitons dans l’échantillon, lesquels peuvent ensuite se désexciter radiativement, c’est-à-dire en émettant de la lumière. Cette lumière est collectée à travers le substrat transparent grâce à l’objectif du microscope et est détectée grâce à une caméra CCD refroidie (CCD = charge-coupled device). Deux modes d’imagerie sont possibles, suivant que l’on projette sur la caméra CCD l’image du plan réel ou celle du plan de Fourier, c’est-à-dire, l’image du plan focal avant ou arrière de l’objectif du microscope. L’image du plan réel révèle d’où la lumière est émise, c’est-à-dire la distribution spatiale de l’émission dans l’échantillon. Par exemple, ce type d’imagerie permet d’étudier la propagation des plasmons de surface excités ou la diffusion spatiale des excitons.

L’image du plan de Fourier est obtenue par l’ajout d’une lentille supplémentaire dans le montage optique (appelée lentille de Bertrand dans l’image ci-dessus). L’image du plan de Fourier révèle dans quelles directions la lumière est émise, c’est-à-dire sa distribution angulaire. Ces informations sont essentielles pour l’étude de certains phénomènes physiques : elles permettent par exemple de caractériser la relation de dispersion entre l’énergie et la quantité de mouvement des plasmons de surface excités ou d’identifier la nature d’un exciton à partir de l’orientation de son moment dipolaire de transition.

La lumière collectée peut également être dirigée vers un spectromètre optique afin que la distribution en énergie de la lumière émise puisse être mesurée. Grâce à l’utilisation d’un spectromètre imageur, notre montage expérimental permet de résoudre simultanément la distribution spectrale et spatiale, ou spectrale et angulaire, de la lumière collectée.

Pour en savoir plus, consultez les rubriques Plasmonique sous pointe et Excitonique.

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Afin de protéger l’expérience des flux d’air et de la lumière parasite, le tout est protégé par une boîte réalisée par nos services techniques
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Vue sur notre STM/AFM JPK Nanowizard III et notre microscope optique Nikon
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Zoom sur notre STM/AFM JPK Nanowizard III et notre microscope optique Nikon