Réalisation et modélisation d'un microscope à sonde locale appliqué à l'étude du rayonnement

209 Pages·2017·7.98 MB·French

by  Jérôme Muller

Réalisation et modélisation d’un microscope à sonde
locale appliqué à l’étude du rayonnement thermique en
champ proche
Jérôme Muller
To cite this version:
Jérôme Muller. Réalisation et modélisation d’un microscope à sonde locale appliqué à l’étude du
rayonnement thermique en champ proche. Electromagnétisme. Université Henri Poincaré - Nancy 1,
2011. Français. ￿NNT: 2011NAN10082￿. ￿tel-01746206v2￿
HAL Id: tel-01746206
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
FACULTÉDESSCIENCESETTECHNOLOGIES-SECTEURPGCM
ÉCOLEDOCTORALEEMMA-ED409
DÉPARTEMENTDEFORMATIONDOCTORALE:MÉCANIQUEÉNERGÉTIQUE
Thèse
présentée pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Université Henri Poincaré - Nancy université
en Mécanique Énergétique
Réalisation et modélisation
d’un microscope à sonde locale
appliqué à l’étude du rayonnement
thermique en champ proche
par Jérôme MULLER
soutenuele21Septembre2011devantlacommissiond’examen:
Président F.BAIDA Professeur,UniversitédeFranche-Comté
Rapporteurs K.JOULAIN Professeur,UniversitédePoitiers
A.VIAL Enseignant-chercheur,UTT
Examinateurs R.VAILLON ChargéderechercheauCNRS,INSAdeLyon
Y.deWILDE Directeurderecherche,ESPCIParisTech
Directeurdethèse D.LACROIX Professeur,NancyUniversité
Co-directeurdethèse G.PARENT Maîtredeconférences,NancyUniversité
Laboratoired’ÉnergétiqueetdeMécaniqueThéoriqueetAppliquée-UMR7563
ÉquipeTransfertRadiatif-FacultédesSciencesetTechnologies-BP70239-54506Vandœvre-lès-Nancy

Aufrère,auxparents

TABLEDESMATIÈRES
Table des matières
Introduction générale 2
I La microscopie optique en champ proche 7
1 LechampProcheOptique 11
1.1 Champproche,champlointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.1 Casgénéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.2 Exempled’application:antenneradioélectriqueetdipôleoscillant 12
1.2 Lesondesdesurface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Ondesévanescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Réflexiontotale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.3 Théoriedespolaritons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4 Densitéd’énergieélectromagnétiqueaudessusd’uneinterface . . 20
2 Lamicroscopieoptiqueenchampproche 25
2.1 Lamicroscopieoptiqueclassique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.1 Principesdebase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Lesnouvellesmicroscopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 Lesmicroscopesélectroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 Lesmicroscopesàsondeslocales . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 LatechnologieSNOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 ExpériencedeSynge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 LesdifférentsmodesSNOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3 Descriptiond’undispositifASNOMcomplet . . . . . . . . . . . 36
2.4 Montageetdéveloppementd’unmicroscopeTRSTM . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Dispositifetsystèmed’asservissementdelapointe . . . . . . . . 37
2.4.2 Systèmeoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3 Traitementdusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.4 Manipulationsetdifficultésrencontrées . . . . . . . . . . . . . . 41
-i-
TABLEDESMATIÈRES
II Développement et validation des modèles numériques 45
3 Développementdesmodèlesnumériques 51
3.1 Calculduchampproche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 LemodèleFDTD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2 StabilitéduschémaFDTD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3 Dispersionnumérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.4 Lesconditionsdebord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.5 Lessourcesd’excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.6 Descriptiondesmilieuxdispersifsetabsorbants . . . . . . . . . . 66
3.1.7 Descriptiondesgéométriescomplexes . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Calculduchamplointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.1 Théorèmedescourantséquivalentsdesurface . . . . . . . . . . . 71
3.2.2 Transformation champ proche/champ lointain : formalisme clas-
sique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.3 Transformation champ proche/champ lointain via les tenseurs de
Green . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Validationdesmodèles 81
4.1 Étuded’undipôleoscillant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.1 Casd’undipôledanslevide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.2 Casd’undipôleaudessusd’uneinterface . . . . . . . . . . . . . 83
4.2 Étuded’unesphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.1 Casd’unesphèredanslevide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.2 Casd’unesphèreaudessusd’uninterface:illuminationdirecte . 89
4.2.3 Cas d’une sphère au dessus d’un interface : illumination par une
ondeévanescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 Étuded’unsystèmerésonant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3.1 Casd’unesphèredeSiCdanslevide . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3.2 Casd’unesphèredeSiCaudessusd’uneinterface . . . . . . . . 97
4.3.3 Casd’unesphèredeSiO audessusd’uneinterface . . . . . . . . 98
2
III Application à l’étude d’un microscope TRSTM 101
5 ModélisationdepointesTRSTMsimples 105
5.1 Étuded’unepointeentungstène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.1 Paramètresdecalcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.2 Calculdeschampsprocheetlointain . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.3 Modélisationdel’optiquedecollection . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2 Influencedumatériaudelapointe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.1 Descriptiondesmatériauxétudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.2 Allureduchamplointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
-ii-
TABLEDESMATIÈRES
5.2.3 Estimationdusignalcollecté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3 Influencedelaprofondeurdepénétrationdel’ondeévanescente . . . . . 115
5.3.1 Profondeurdepénétrationd’uneondeévanescente . . . . . . . . 115
5.3.2 Allureduchamplointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.3 Estimationdusignalcollecté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4 Influencedeladistancepointe/interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.4.1 Principeetutilitédelasimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.4.2 Estimationdusignalcollecté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.5 Influencedelaformedelapointe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5.1 Descriptiondesdifférentesformesétudiées . . . . . . . . . . . . 121
5.5.2 Allureduchamplointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.5.3 Estimationdusignalcollecté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.6 Influencedelalongueurd’onded’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.6.1 Casd’unepointedetungstène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.6.2 Casd’unepointedeSiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.6.3 Casd’unepointedeverreSiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2
6 ModélisationdepointesTRSTMrésonantes 129
6.1 Résonancedessphères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.1.1 Modesdesurfacesdanslespetitesparticules . . . . . . . . . . . 130
6.1.2 Étuded’unesphèredeSiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.1.3 Étuded’unesphèredeverreSiO . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
2
6.2 Étuded’unsystèmepointe/sphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.2.1 Paramètresdecalcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.2 Casd’unesphèredeSiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2.3 Casd’unesphèredeverreSiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2
Conclusion et perspectives 148
Annexes 154
A Basesdel’électromagnétisme 155
A.1 ÉquationsdeMaxwelletéquationd’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
A.1.1 LeséquationsdeMaxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
A.1.2 Établissementdel’équationd’onde . . . . . . . . . . . . . . . . 159
A.2 Applicationàl’ondeplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
A.2.1 Propagationd’uneondeplanedansunmilieuinfini . . . . . . . . 160
A.2.2 Interactionavecuneinterfaceplane . . . . . . . . . . . . . . . . 161
-iii-
TABLEDESMATIÈRES
B Fonctionsdiélectriques:basededonnées 165
B.1 Lesmodèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
B.1.1 Quelquesrappelssurlafonctiondiélectrique . . . . . . . . . . . 166
B.1.2 LemodèledeDrude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
B.1.3 LemodèledeLorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
B.1.4 Lesmodèlescomposites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
B.2 Lesdifférentscasétudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
B.2.1 Lecarburedesilicium(SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
B.2.2 Leverre(SiO ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2
B.2.3 Lesilicium(Si) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
B.2.4 Lesiliciumdopé(n-Si) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
B.2.5 Letungstène(W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
C Fabricationd’unesondeentungstène 175
C.1 Descriptiongénérale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
C.2 Fabricationduméplat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
C.2.1 Préparationdusupport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
C.2.2 Polissagedulevier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
C.2.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
C.3 Fabricationdelapointe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
C.3.1 Principesdelaréaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
C.3.2 Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
C.3.3 Manipulationsetrésultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
D Traitementdusignal 185
D.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
D.1.1 Généralitéssurl’échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
D.1.2 Fréquenced’échantillonnage-fréquenced’acquisition . . . . . . 187
D.2 Systèmededétectionsynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
D.2.1 Principed’unlock-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
D.2.2 Signalderéférence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
D.2.3 Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
D.3 Suppressiondubruitdemesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
D.3.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
D.3.2 Rééchantillonage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
D.3.3 Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Bibliographie 192
-iv-
Introduction générale
-1-