Hyper-resolved fluorescence microscopy with STM

par Benjamin Doppagne

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Guillaume Schull.

Soutenue le 03-02-2020

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg) (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Robert.

Le jury était composé de Elizabeth Boer-Duchemin, Vincent Jacques.

Les rapporteurs étaient Brahim Lounis, Fabian Natterer.

mots clés

• STM
• Plasmonique
• Nano-optique
• Fluorescence
• Molécule unique
• Tautomerisation
• Etat redox
• Spectroscopie vibrationelle
• Electrofluorochromisme
• Microscopie tunnel à balayage
• Spectroscopie de fluorescence
• Excitation électronique

Titre traduit

Microscopie de fluorescence hyper-résolue par STM

Résumé

Dans cette thèse, je rapporte l’utilisation d’un microscope à effet tunnel (STM) pour obtenir le spectre de fluorescence d’une molécule unique, et ainsi s’affranchir des limites inhérentes aux techniques optiques conventionnelles. Cette technique repose sur l’utilisation des électrons tunnels comme source d’excitation, et l’amplification de l’émission par les modes électromagnétiques de la cavité, formé par la pointe STM et la surface, appelés plasmons de gap. Les résultats de cette thèse, confirment que ces modes sont fortement localisés dans des volumes de l’ordre du nm3, ce qui permet de pratiquer une « imagerie optique » à l’échelle sub-moléculaire. Cette technique de Microscopie de Fluorescence Hyper-Résolue nous a permis i) De suivre avec une résolution spatiale, spectrale et temporelle un processus de tautomerisation, ii) De mesurer une signature vibrationnelle résolue à l’échelle sub-moléculaire et iii) De suivre l’état redox d’une unique molécule via son signal optique.

mots clés

• STM
• Plasmonics
• Nano-optics
• Fluorescence
• Single molecule
• Tautomerization
• Redox state
• Vibrationnal spectroscopy
• Electrofluorochromism

Résumé

In this thesis, I report the use a Scanning Tunneling Microscope to obtain the fluorescence spectrum of a single molecule, to go beyond of the limitations commonly observed in conventionnal optical techniques. This technique relies on the use of tunneling electrons to excite the fluorescence of a molecule, which is amplified by electromagnetic modes of the cavity, formed by the tip and the sample, knows as gap plasmons. The results of this thesis, confirm that these modes are strongly localized within volumes of the order of 1 nm3, allowing to carried out « optical imaging » at the sub-molecular scale. This Hyper-Resolved Fluorescence Microscopy technique allowed us i) To track with : spatial, spectral and temporal resolution a tautomerization process, ii) To measure a vibrationnal signature with sub-molecular resolution, and iii) To monitor the fluorescence of a single molecule redox state.