Plusieurs balayages ont été effectués avec le montage SNOM le long des bandes métalliques d’or présentées sur la figure 96. La table de translation piézoélectrique étant limitée à des plages de balayage de 20µm sur 20µm, plusieurs balayages successifs ont été nécessaires pour imager complètement le mode guidé le long de ces bandes. Les images SNOM obtenues ont ensuite été réassemblées. Pour augmenter la précision de mesure du déplacement manuel de la micro-pointe SNOM entre deux balayages successifs, un télémètre optique [Keyence LK-G152] a été placé sur le côté de la platine de translation micrométrique. Ce type de mesure complexe nécessite une très grande stabilité de la partie optique du montage mais aussi de l’asservissement.
Figure 96 : Image MEB (BSE) des bandes d’or de largeur 1, 2, 3, 4, 5 et 10µm (wAu : largeur sur le masque numérique ;
wAu_MEB : largeur mesurée au MEB avec l’incertitude entre parenthèse)
Nous commencerons par étudier le cas particulier de la bande d’or de largeur wAu=5µm
(wAu_MEB=5,690,09µm). Il s’agit de la bande d’or avec la largeur minimum avant que le mode ne
commence à fuir dans l’air (voir figure 28). De plus, à la différence de la bande d’or de largeur wAu=10µm, ce guide ne supporte qu’un seul mode. Une série de 10 balayages successifs, de
dimensions Y=16µm sur Z=20µm avec des pas dy=75nm et dz=350nm, a été réalisée (Figure 97). L’ensemble de ces balayages a nécessité environ 6 heures d’acquisition. Le guide étant légèrement incliné, des corrections manuelles de positionnement initiale de la pointe ont été nécessaires (par exemple : entre le cinquième et le sixième balayage). Cela explique en partie le recouvrement imparfait et les différences de teintes observées sur les fausses couleurs des images topographiques. Le balayage recomposé est alors de dimensions Y=21,75µm sur Z=183µm (soit environ 120000 points) avec une incertitude selon Y de l’ordre du micron et selon Z de l’ordre de quelques microns.
Chapitre IV - Résultats expérimentaux
138
Figure 97 : Cartographies 2D de la topographie de surface et image de la distribution en l’amplitude du champ évanescent sur une bande d’or de 5µm de largeur et de 400 µm de longueur
La cartographie 2D de la topographie de surface permet de caractériser la largeur et la hauteur de la bande métallique. Elle permet également de se localiser précisément le long de la structure. La superposition de cinq profils de topographie transverse suivant Y prélevés à différents emplacements le long de la bande d’or pour le guide de largeur 5µm est présentée sur la figure 98. Ces profils ont été recentrés autour de la position Y=10µm pour compenser la légère inclinaison du guide. La largeur a été calculée sur une dizaine de profils puis moyennée, donnant ainsi accès à une incertitude statistique. La largeur obtenue est égale à wAu=6,230,21µm.
La largeur des bandes métalliques peut être vérifiée à partir des images MEB effectuées (figures 92 et 96). En fonction de la résolution de l’image MEB enregistrée, les largeurs mesurées sont plus ou moins précises. Néanmoins, il semble que les largeurs des bandes mesurées avec la profilométrie utilisant le signal de topographie shear-force (SF) sont généralement plus larges de 500nm à 2µm du fait du rayon de courbure de l’apex à l’extrémité de la micro-pointe fibrée. Cette largeur intrinsèque de la pointe élargit le profil obtenu par SF. La résolution topographique est alors limitée par rapport à un AFM utilisant une pointe avec un apex plus faible.
Figure 98 : Caractérisation de la topographie de la bande d’or de largeur 6µm.
Les topographies de surface permettent aussi de déterminer la hauteur de la bande métallique hAu avec une incertitude généralement proche de la précision de la table de translation
piézoélectrique utilisée*. De manière similaire, la hauteur peut être déterminée en moyennant une dizaine de mesures ce qui conduit à hAu=43,25,6nm. L’épaisseur de métal est légèrement plus
élevée que celle prévue de 10nm de chrome + 25nm d’or. La surépaisseur peut être due à l’attaque ionique qui a pu creuser le substrat en silice sur quelques nanomètres ou à un dépôt de métal légèrement plus important. Compte-tenu de la hauteur d’or relativement faible (quelques dizaines de nanomètres) sur ces relevés topographiques, cette différence peut également être un artefact dû
*
L’écart-type a été évalué sur plusieurs balayages effectués sur des surfaces planes au-dessus de la silice ou de l’or. Celui-ci est généralement équivalent pour les deux matériaux et compris entre 2 et 6 nm.
IV.2 - Caractérisation expérimentale en champ proche optique de bandes d’or pour le guidage de
SPP et comparaison avec les calculs numériques139 à la variation de la force atomique qui s’exerce entre la micro-pointe et la surface lorsque l’on passe de la silice (interaction pointe silice-silice) au métal (interaction pointe silice-or).
L’image 2D représentant la distribution spatiale de l’amplitude du signal optique en champ proche permet d’observer la décroissance exponentielle de l’amplitude de champ du SPP lors de sa propagation le long de la bande d’or. En ajustant une courbe exponentielle sur un profil extrait de l’image SNOM 2D au-dessus la bande métallique (correspondant au trait pointillé noir sur la figure 97), il devient possible d’en déduire la longueur de propagation LSPP. La fonction exponentielle est de
la forme :
[129]
La courbe ajustée est représentée en trait continu sur la figure 99.
Figure 99 : Ajustement exponentiel sur un profil prélevé au dessus de la bande d’or de largeur 5µm
La longueur de propagation obtenue à partir de l’image optique en champ proche est égale à 102,7µm. Il est possible de comparer cette valeur avec celle calculée par le solveur de mode avec les paramètres suivants :
La largeur de la bande métallique est choisie égale à celle mesurée avec le MEB soit 5,69µm. Le mode à fuites est obtenu avec un indice effectif neff=1,002 et une longueur de propagation
LSPP=76,2µm plus faible que celle mesurée. Cette différence peut s’expliquer soit par l’épaisseur de
métal qui semble légèrement plus élevée que celle prévue lors du dépôt (ce qui conduit à réduire les fuites dans le substrat - Figure 9b), mais aussi par l’incertitude sur la permittivité de l’or (§I.2.A.a) qui peut conduire à des déviations importantes sur les calculs de longueurs de propagation.
Il est également possible de comparer la répartition transverse obtenue expérimentalement avec la composante de champ Hy sur le mode à fuites LEAKY00 simulé grâce au solveur de mode (Figure 100). Un profil extrait de l’image de la distribution en l’amplitude du champ (Figure 97 - trait en pointillé vertical orange) est comparé avec un profil extrait de la représentation de la composante Hy du mode à fuite 50nm au-dessus de la bande d’or (Figure 100 – trait en pointillé horizontal rouge). Les profils obtenus sont en très bon accord. Le principal désaccord apparaît sur les bords de la bande d’or où des fuites dans l’air peuvent apparaître dues à des petits défauts sur les arêtes.
Chapitre IV - Résultats expérimentaux
140
Figure 100 : (gauche) Composante Hy du mode à fuites sur une bande d’or de largeur wAu=5,7µm et de 35nm d’épaisseur
(25nm d’or+10nm de chrome); (droite) Comparaison du profil expérimental avec celui obtenu à l’aide du solveur de mode pour une bande d’or de largeur 5,7µm