Thèse soutenue

Sonde opto-mécaniques pour la microscopie AFM rapide
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Auteur / Autrice : Lucien Schwab
Direction : Bernard LegrandIvan Favero
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : MicroNano Systèmes
Date : Soutenance le 25/09/2020
Etablissement(s) : Toulouse, INSA
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
Examinateurs / Examinatrices : Bernard Legrand, Ivan Favero, Ludovic Bellon, Tarik Bourouina, Jean-Paul Salvetat, Ignacio Casuso
Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Bellon, Tarik Bourouina

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Dans le domaine de la microscopie, le microscope à force atomique (AFM), inventé en 1986, est aujourd’hui toujours basé sur le même concept de sonde de force : le levier. Les performances de l’AFM, et en particulier sa vitesse d'imagerie, sont principalement limitées par ce levier, dont la fréquence de résonance plafonne à quelques MHz. Ce travail de thèse présente un nouveau concept de sonde AFM, une sonde optomécanique (OM), ainsi que les développements sur l’instrument pour exploiter ses performances. En effet, des sondes OM vibrant à plus de 100 MHz sont développées et exploitées dans ce manuscrit. Elles démontrent une limite de détection thermomécanique remarquable de 4.5x1E-17 m/√Hz à température ambiante, inférieure à celle de toute autre sonde AFM, permettant un fonctionnement avec une amplitude de vibration de 10 pm. Cette sonde OM est constituée d'un anneau de silicium suspendu d'un diamètre de 20 µm, agissant à la fois comme un résonateur mécanique et un résonateur optique à mode de galerie. Les deux sont intimement couplés par la forme de l'anneau : lorsque l'anneau vibre dans un mode de respiration, la longueur de la cavité optique varie et sa longueur d'onde de résonance varie autour de la longueur d’onde centrale de 1,55 µm. De nombreuses variantes de sondes OM sont caractérisées pour trouver la conception optimale, conduisant à un gap de couplage évanescent de 100 nm à 200 nm et une largeur de rayons de suspension inférieure à 100 nm. Grâce à une caractérisation approfondie, un phénomène singulier est également mis en évidence : le super-mode. Deux alternatives pour mettre la sonde en vibration sont comparées : l’actionnement capacitif et optique. L'étude de la stabilité et du bruit de la sonde permet d'identifier une source de bruit supplémentaire en actionnement optique. Ensuite, les sondes OM sont intégrées dans un instrument AFM dont chaque composant est spécialement développé, du scanner piézoélectrique à l'acquisition et au traitement des données. À cause d’un verrou technologique de fabrication, la pointe de la sonde OM n’a pas pu être approchée d’une surface : elle ne dépasse pas du substrat sur lequel la sonde est fabriquée. Un levier AFM classique est donc utilisé pour interagir mécaniquement avec la sonde AFM. La bande passante de l'instrument est alors caractérisée en fonctionnement, démontrant une bande passante de boucle de rétroaction de 100 kHz, à l’état de l’art. Enfin, une première pseudo-image est réalisée avec ces sondes, démontrant le fonctionnement complet de l'instrument.