Chapitre 4 Combinaison de divers capteurs autour du manipulateur
4.9 Les plasmons de surface
4.9.2 Divers modes d’utilisation
4.9.2.1 Effet global pointe STM ou SNOM diélectrique tube piezo métal prisme sphérique laser capteur capteur FIG. 4.13: Configurations possibles
de détection des plasmons : global (CCD, PSD) ou local (SNOM, cf 1.1.4).
La relation de dispersion au niveau de la couche métal- lique, obtenue soit en annulant le dénominateur dans la for- mule de Fresnel (qui s’obtient en introduisant les relations de Snell-Descartes dans l’expression des coefficients de réflexion et de transmission [Fowles 75, pp43-45]), soit à partir de la résonance d’un gaz d’électrons dans le modèle de Drüde, est
ksp ➆ ω c ➛ 1 ε➔ 1 εm➜ ➇ 1 2
où εm est la partie réelle de la constante
diélectrique du métal etεla constante diélectrique du milieu en dehors du métal [Liedberg 83]. Le principe de la résonance plasmon est de faire coïncider la composante du vecteur d’onde du champ électrique incident parallèle à la surface de verre (kx➆
ω
c➝
εsin
➋
θ➌ ), elle même fonction de l’angle d’incidence du champ électrique sur la couche de verre, avec le vecteur d’onde du plasmon dans la fine couche métallique (à noter que ceci est impossible dans le cas général – conservation simultanée de l’énergie et de la quantité de mouvement – et que seule la très faible épaisseur du film métallique rend ce phénomène possible).
En faisant varier cet angle nous pouvons observer une chute rapide – sur une largeur d’envi- ron 0,25oà 0,5o[Marti 93] – du champ réfléchi, correspondant à la résonance des deux vecteurs d’onde (parallèle à la surface de verre et sur la couche métallique fine), i.e. l’excitation collec- tive du gaz d’électrons dans le solide par réflexion des photons sur la couche métallique (comme dans le cas qui nous intéresse), ou par passage d’électrons dans la couche métallique [Paesler]. De la même façon, changer l’indice du milieu en contact avec le métal change l’angle incident pour lequel il y a résonance : cet effet permet d’utiliser les propriétés du plasmon pour détecter l’adsorption d’espèces chimiques ou le changement de phase d’un échantillon en contact avec le métal.
Il est à noter que le modèle du gaz tridimensionnel d’électrons est à la limite de sa vali- dité dans les épaisseurs de couches que nous considérons ici. En effet, une combinaison de la mécanique classique (E ➆ P2 2m), de la physique statistique (E➆ 3 2kBT ) et de la mécanique quan- tique (P➆ h
λ), justifiée de façon dimensionnelle, donne λe ➆
h
3kBmeT où T est la température
ambiante (du gaz d’électrons), me➆ 9 ➉ 11➊10➇
31 kg la masse d’un électron, h
➆ 6 ➉62➊10➇
34J.s
la constante de Planck et kB ➆ 1 ➉38➊10➇
23J/K la constante de Boltzmann. L’application numé-
rique nous donne une taille caractéristiqueλede la fonction d’onde d’un électron à température
ambiante (T ➆ 300 K) de l’ordre de la dizaine de nanomètres (6 nm), proche des 25 nm d’épais- seur de couche que nous utilisons expérimentalement. Nous sommes donc à la limite du gaz à
deux dimensions d’électrons.
4.9.2.2 Aspect local
Nous avons vu, équation 4.1 [Raether], qu’un champ évanescent très sensible aux condi- tions sur la couche métallique, caractérise le plasmon. Ce champ peut être mesuré globalement en focalisant son image sur un capteur CCD par exemple à l’aide d’une lentille, ou localement par une pointe de microscope à champ proche (SNOM [Fischer 89,Marti 93]) pour obtenir une résolution meilleure que la longueur d’onde [Paesler].
Dans le cas d’une observation de la lumière réfléchie [Simon 76] ou transmise par la surface (en l’absence de sonde locale), la résolution latérale attendue est déterminée par l’étendue du plasmon (environ quelques micromètres à quelques dizaines de µm pour des fréquences d’exci- tation dans le visible [Dawson 94, Yeatman 88, Thost 93, Dawson 95]), et peut être optimisée en tournant l’objet de façon à ce que le côté intéressant soit parallèle au vecteur d’onde exci- tant le plasmon [de Bruijn 93]. Un microscope à plasmons (SPOM) a été réalisé en modulant avec une pointe de tungstène le champ évanescent existant dans des conditions particulières (épaisseur) de rugosité sur le film métallique [Kim 95]. La pointe de tungstène a donc ici pour rôle de perturber le plasmon de surface lorsque celui-ci est présent, et ceci dans le but de l’ex- traire du bruit par cette modulation (dans ce cas, le signal observé n’est pas le faisceau réfléchi mais le champ transmis par les plasmons). Un compromis doit être recherché entre la résolution latérale (décroissante avec une puissance croissante envoyée pour générer le plasmon) et l’in- tensité du plasmon (qui croît avec la puissance fournie) [Kim 96]. Le problème de la diffraction
[Valle 97, théorique] [Fischer 89, de Hollander 95, Kim 96] du plasmon par des changements
d’épaisseur de la couche métallique ou de la couche étudiée (déposée sur la surface métallique) existe et a été étudié plus spécialement dans le cas d’ondes stationnaires entre deux fils dépo- sés (par méthodes lithographiques) sur la couche métallique de façon à définir des conditions limites propices à la génération d’ondes stationnaires (interférences) de plasmons entre ces fils
[Krenn 97].
De la même façon, des protubérances (billes de latex de 100 nm de diamètre déposées sur un film métallique) ont été observées en accordant le montage de façon à ce que les plasmons ne se forment que pour les conditions de présence des billes (absence de plasmon en l’absence des billes par le choix des paramètres de réglage).
La résolution latérale peut être fortement améliorée (pour passer sous la longueur d’onde du faisceau incident) si un SNOM est utilisé pour capter le champ électrique évanescent [Fischer 89,
Smolyaninov 96,Dawson 94]. Une résolution latérale de 3 nm est annoncée [Specht 92] lors de
4.9. Les plasmons de surface
mon – cette configuration permettant de corréler les mesures de champ du plasmon avec l’uti- lisation en STM classique de la pointe pour vérifier la topographie de l’échantillon. Le temps de réponse – 0,2 à 2 millisecondes [Kroo 91] - lorsque la pointe est polarisée semble indiquer qu’un effet thermique de dilatation de la pointe STM ne doit pas être négligé et est la source de courant lorsque la pointe n’est pas polarisée [Thost 93].
Dans le cas de l’utilisation d’une sonde locale, plusieurs configurations sont possibles - déplacement de l’échantillon avec une sonde locale fixe [Fischer 89] ou déplacement de la sonde par rapport à l’échantillon [Smolyaninov 96,Krenn 97, Dawson 94,Marti 93,Thost 93,
Dawson 95] - mais dans tous les cas le positionnement est beaucoup plus délicat que lors d’une
observation globale du champ réfléchi ou transmis. La sonde détecte le champ électrique à par- tir d’une distance de 200 nm de la surface, avec un maximum autour de 20 nm de la surface
[Kim 95,Specht 92,Marti 93].