WO2014114860A1 - Microscope à sonde locale multimode, microscope raman exalté par pointe et procédé de régulation de la distance entre la sonde locale et l'échantillon - Google Patents

Microscope à sonde locale multimode, microscope raman exalté par pointe et procédé de régulation de la distance entre la sonde locale et l'échantillon Download PDF

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sample
distance
microscope
signal
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PCT/FR2014/050058
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Marc Chaigneau
Akli Karar
Bernard Drevillon
Razvigor Ossikovski
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Ecole Polytechnique
Centre National De La Recherche Scientifique
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Definitions

  • the present invention generally relates to the field of local probe microscopy.
  • Local probe microscopy or peak scanning microscopy, is based on the measurement of a physical quantity when scanning a tip at a very short distance from the surface of a sample.
  • Local probe microscopy provides an image of the surface topography of a sample with a spatial resolution greater than the resolution of an optical microscope.
  • AFM Atomic Force Microscopy
  • STM Scanning Tunneling Microscope
  • SFM Shear-Force Microscopy
  • a tunneling microscope has an electrically conductive tip that collects the tunnel-generated electrical current when the tip is brought at a very short distance (between 0 and 5 nm) from the surface of a conductive sample.
  • a STM generally comprises tunnel current control means based on nano-movement between the sample and the tip along the Z axis of the tip using a piezoelectric ceramic, the Z axis being generally transverse to the surface of the sample. The value of the positioning performed along the Z axis to control the tunnel current as a function of a scan of the XY tip is then representative of the evolution of the surface relief of the sample.
  • Tunneling microscopy provides a surface topography image of sub-nanometric resolution.
  • An STM requires a conductive tip, usually metal, nickel or tungsten. The application of the STM is, however, limited to conducting samples.
  • Atomic Force Microscopy is based on the use of the repulsion and attraction forces between the atoms of the sample surface and the atoms of the nanoscale end of the tip.
  • An atomic force microscope generally comprises a lever supporting a tip of silicon or silicon nitride, optionally covered with a metal deposit. Conventionally, the displacement of the tip is observed by measuring the deviation of a laser beam reflected on the lever of the tip. The distance between the end of the tip and the surface of the sample is controlled by a very fine detection of the attraction and repulsion regimes, so as to avoid contact between the tip and the surface.
  • An AFM makes it possible to observe any type of sample.
  • a friction force microscope comprises a resonant or vibrating local probe, generally comprising a piezoelectric oscillator (or resonator, generally in the form of tuning fork) in quartz on which is fixed a fine tip. Excited to its resonance frequency f 0 (between 15 and 30 kHz) by the application of an electrical signal to its terminals or by mechanical excitation, the resonator induces a vibration of the small amplitude peak ( ⁇ 1 nm) transversely to the Z axis of the tip.
  • f 0 between 15 and 30 kHz
  • the imaging mode consists of scanning the tip parallel to the surface of the sample and measuring the amplitude of the current resulting from the excitation, itself proportional to the amplitude of mechanical oscillation of the branches of the resonator.
  • a tapered optical fiber or a metal tip Different types of tips are used for SFM: a tapered optical fiber or a metal tip.
  • One of the limitations of friction force microscopy is that the distance between the tip and the surface of the sample is generally unknown, this distance usually being between twenty and a hundred nm. This distance is generally estimated by detecting the moment of contact between the tip and the sample, inducing the destruction of the end of the tip, which affects the spatial resolution.
  • a friction force microscope makes it possible to map the surface topography of any type of sample, but provides a topography image with a spatial resolution in the relatively degraded XY plane because of oscillations of the tip.
  • microscopes said to multimode local probe, which combine different modes of operation of local probe microscopy.
  • this device does not make it possible to avoid contact between the tip and the surface of the sample and to precisely calibrate the distance between the end of the tip and the surface of the sample for a distance of less than 20 nm. , because of a quasi-total damping of the amplitude of oscillation of the branches of the tuning fork.
  • a third electrode electrically connects the tip to a current-voltage converter for measuring the tunnel current between the tip and the surface of the sample covered with a thin layer of gold or diamond.
  • This microscope makes it possible to independently measure the tunneling current and the lateral shear force at the same point on the surface of the sample.
  • this configuration has the effect of drastically degrade the quality factor of the tuning fork (by a factor of ten) which reduces the sensitivity of the microscope in the friction force regime. There is thus a stiffening of the system which affects the regulation of the tip-sample distance, especially for a distance of less than twenty nanometers.
  • near-field microscopy can be advantageously coupled to different analysis techniques.
  • the Tip Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) technique or nanoRaman, involves the coupling of a Raman spectroscopy apparatus with a local probe microscope equipped with a metal tip. noble or covered with a noble metal. An exaltation of the Raman signal emitted locally at a point on the surface of a sample is observed when the Raman spectrometer excitation laser beam is focused on the tip of the microscope tip in the near field approaching a few nanometers from the surface. of the sample, due to a local amplification of the electromagnetic field.
  • TMS Tip Enhanced Raman Spectroscopy
  • the tip-to-sample distance is usually regulated by an AFM, but the topographic resolution is then degraded given the layer of metal deposited on the tip, or thanks to a STM, but the need to regulate on the tunnel current only allows the TERS analysis of conductive samples. This makes the TERS technique very difficult to implement.
  • a first difficulty is to bring the tip of the surface of the sample to a very small distance of a few nanometers only. Another difficulty is to control this very small distance when scanning the tip. Yet another difficulty is to avoid contact between the end of the tip and the surface of the sample, any contact is likely to damage the nanometer end of the tip.
  • TERS Raman spectroscopy operating with a friction force type local probe to precisely control and calibrate the distance between the tip end and the surface of a sample in the distance range between 0 and about twenty nm, and preferably less than 10 nm, without involving contact between the end of the tip and the surface.
  • One of the aims of the invention is to provide a multimode microscope with a local probe in which the distance between the end of the tip and the surface of the sample can be enslaved, in particular for a small distance, less than a few tens of nanometers.
  • Another object of the invention is to propose a Raman spectroscopy apparatus exalted by a peak effect at a very small and regulated distance between the end of the tip and the surface of the sample.
  • Yet another object of the invention is to provide a method of calibrating the distance between the end of a microscope tip with a local probe, in particular by friction force, and the surface of a sample, when this distance is between 0 and 10nm.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the local probe microscopes of the prior art and more particularly proposes a multimode local probe microscope comprising a resonator (preferably a quartz tuning fork) comprising a first input electrode and a second output electrode disposed on the resonator, excitation means adapted to generate a mechanical resonance in the resonator (the tuning fork), a metal or metallized tip having a nano-sized end, the tip being fixed on the resonator, means relative displacement between the resonator and a sample adapted to approach the end of the tip at a distance Z between 0 and 100 nm from the surface of the sample.
  • a resonator preferably a quartz tuning fork
  • said metal tip is electrically connected to said second output electrode, said second output electrode forming a common electrical contact point for collecting on the one hand a first electrical signal relating to frictional forces between the end of the tip and the surface of the sample and secondly, a second electrical signal relating to a tunnel current between the end of the tip and the surface of the sample
  • the microscope comprises amplification means electrically connected at said second an output electrode, said amplification means being adapted to simultaneously amplify the first signal relating to the friction forces and the second signal relating to the tunnel current, processing means adapted to separately process the first signal relating to the forces of friction and secondly the second signal relating to the tunnel current, and control means adapted to regulate the distance Z between the end of the tip and the surface of the sample, in a first mode, according to the first signal representative of the frictional forces and respectively, in a second mode, as a function of the second signal relative to the tunnel current.
  • the device makes it possible to regulate the distance Z between 0 and several tens of nanometers, while avoiding a mechanical contact between the end of the tip and the surface of the sample.
  • the local probe microscope of the invention can simultaneously measure the frictional forces and the tunnel current, and can operate in a multi-mode mode: in a first mode, the friction forces are measured, while regulating the distance point -sample on the tunnel current; in another mode, the tunnel current is measured while regulating the tip-to-sample distance on the measurement of the frictional forces.
  • the configuration of the local probe avoids connecting the metal or metallized tip to an external conductor wire to collect a signal representative of the frictional forces which makes the local probe less sensitive to external disturbances and makes it possible to maintain the quality factor of the resonator at a high value.
  • the collection and amplification at the same summation point of a tunnel current signal and a signal representative of the frictional forces thus make it possible to improve the signal-to-noise ratio of these two signals.
  • the multimode local probe microscope comprises:
  • common amplification means of the two signals comprising a low noise preamplifier for simultaneously amplifying the current resulting from the excitation of the resonator and the tunnel current;
  • the processing means comprise active or passive electronic filtering means connected to the second electrode, said filtering means being adapted to separate on the one hand the first signal relating to the frictional forces and on the other hand the second signal relating to the tunnel current as a function of their respective frequencies for subsequent control processing;
  • the microscope comprises scanning means (in XY) of the tip relative to the surface of the sample;
  • the tuning-fork quartz resonator (or resonant fork) having a first branch and a second branch, the first input electrode being disposed on the first branch and the second output being disposed on the second branch.
  • the filtering means comprise a low-pass filter having a cut-off frequency at 10 kHz relative to the tunnel current, and a band-pass filter for passing a signal around f 0 relative to the friction and / or shear forces.
  • the invention also relates to a peak-enhanced Raman microscope comprising a multimode local probe microscope according to an embodiment described, said Raman microscope comprising a Raman spectrometer, means for focusing an excitation laser beam on the end of the Raman microscope. the tip of the microscope, and means for detecting a Raman scattering signal generated by the sample in the vicinity of said tip.
  • the peak-enhanced Raman microscope comprises means for triggering the detection of the Raman scattering signal and synchronization means connected on the one hand to the triggering means of the detection and on the other hand to the means regulating the distance Z between the tip and the sample, so as to synchronize said means for triggering the detection of the Raman scattering signal and said regulating means when approaching the tip at a distance ⁇ 0 - ⁇ predetermined.
  • the invention also relates to a method for calibrating the distance Z between the surface of a sample and the end of the tip of a multimode local probe microscope according to one of the described embodiments, said calibration method comprising the following steps:
  • said reference distance is greater than zero and less than or equal to 10 nm and preferably less than 5 nanometers.
  • This calibration is performed on a conductive sample, then is transferable to any other type of semiconductor or insulating sample (such as glass).
  • the local probe microscope comprises means for measuring a variation of at least one parameter of the resonator during the XY scan of said tip and processing means adapted to extract from said variation an image representative of the topography of the surface of the sample resolved spatially in XY.
  • said measuring means also comprise means for measuring a tunnel current between the end of the tip and a point on the surface of a sample, when said tip end is placed at a non-zero distance to avoid any damage to said tip.
  • the amplification means comprise a low noise preamplifier.
  • the invention will find a particularly advantageous application in peak-excited Raman spectroscopy, in which a local probe microscope is coupled to a Raman spectrometer for Raman spectrometry measurements with nanoscale spatial resolution.
  • the present invention also relates to the features which will emerge in the course of the description which follows and which will have to be considered individually or in all their technically possible combinations.
  • FIG. 1 represents the electronic diagram of a tuning fork-type probe of a friction force and tunnel current detection microscope according to the prior art
  • FIG. 2 diagrammatically represents a perspective view of a tuning fork-shaped probe of a friction force microscope according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3A represents the resonance amplitude of the resonator, in an exemplary embodiment of the invention, before compensation;
  • FIG. 3B represents the resonance amplitude the resonator, after compensation;
  • Figure 3C shows the corresponding phase of the resonator;
  • FIG. 4 schematically represents the frequency distribution of signals respectively representative of a tunnel current and of a quartz resonator
  • FIG. 5A represents an electronic diagram of a resonant local probe device according to a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 5B shows an electronic schematic of a resonant local probe device according to an alternative of the embodiment of Fig. 5A;
  • FIG. 6 schematically represents a local probe of a multiple microscope according to the invention, operating on the detection of the friction forces and the tunnel current, at different distances from the surface of a sample;
  • FIGS. 7A and 7B schematically represent the spatial resolution of a Raman spectrometry measurement when a local probe tip is located respectively in a far-field (7A) and in a near-field (7B) for a nano-Raman or TERS measurement ;
  • FIG. 8 represents a timing diagram for controlling the tip-to-sample distance, in particular for measurements of the TERS type
  • FIG. 9 illustrates an example of nano-Raman or TERS measurements for two different distances between the end of the tip and the surface of a sample.
  • FIG. 1 schematically represents a probe of a friction type type local probe microscope, according to the prior art and its amplification electronic circuits, in a configuration where it is desired to capture a current (emission current of field or tunnel current) between the end of the tip and the surface of the sample.
  • the probe shown here comprises a resonator 1 having a tuning fork shape which comprises a first branch 10 and a second branch January 1.
  • the resonator 1 is a quartz crystal resonator analogous to a quartz resonator used in watchmaking.
  • the probe comprises a metal point 4, for example gold, fixed on one of the branches 1 1 of the tuning fork so that a tapered end of the tip protrudes from the end of the branch 1 1, about a few tenths of a millimeter along the direction Z.
  • a function generator 19 makes it possible to electrically excite the resonator 1 in the vicinity of its resonant frequency so that the branches of the tuning fork vibrate in the XY plane.
  • a sample 5 rests on a conductive sample holder 7.
  • a voltage source 20 makes it possible to apply a DC voltage to the sample 5.
  • the probe comprises a first electrode 8 disposed on the first branch 10 and a second electrode 9 disposed on the second branch 1 1.
  • the first electrode 8 and the second electrode 9 are electrically connected to an electronic circuit 12.
  • the electronic circuit 12 makes it possible to amplify and convert into electric voltage the current resulting from the excitation of the resonator at its resonant frequency.
  • the signal 13 at the output of the converter 12 can then be processed by an electronic system to extract signals (amplitude and phase) representative of the friction and / or shear forces between the probe 1 and the surface of the sample 5, when the probe is close to the surface of the sample 5.
  • the tip 4 bonded to the branch 1 1 without electrical contact with the electrode 9, is connected to another electrical contact 14.
  • An electric wire 15 connects the contact electrical 14 of the tip 4 to another amplification electronic circuit 17 can amplify a tunnel current that can be collected between the tip 4 and the sample 5 and provide a signal 18 at the output of the electronic circuit 17.
  • the device of the prior art shown in FIG. 1 makes it possible, ideally under vacuum pressure conditions, to measure the tunnel current between the end of the tip 4 of the vibrating probe 1 and a polarized sample.
  • the quality factor of a vibrating probe as shown in FIG. 1 is strongly degraded by the addition to the metal point of an electrical contact 14 and an additional wire. for the detection of the tunnel current, due to a stiffening of the probe and a greater mechanical dissymmetry of the resonator.
  • a local probe microscope as shown in Figure 1 shows degraded results in friction force mode and is sensitive to ambient electromagnetic radiation.
  • a second observation forming part of the present invention is that the device shown in FIG. 1 comprises two distinct pre-amplification electronic circuits 12 and 17.
  • the probe of the prior art consisting of the resonator 1 and the tip 4 comprises three distinct electrical contacts: the first electrode 8, the second electrode 9 and the electrical contact point 14 on the tip 4.
  • FIG. 2 diagrammatically represents a perspective view of a probe comprising a tuning fork resonator 1 according to one embodiment of the invention.
  • the probe comprises a tuning fork, preferably made of quartz, a first electrode 8 being disposed on the first branch 10 and a second electrode 9, or output electrode being arranged on the second branch January 1.
  • a tapered metal (or metallized) tip 4 is attached to the second leg 1 1 of the tuning fork.
  • the tip 4 is for example glued to the second branch January 1, so that its tapered end protrudes from the end of the second branch a few tens to a few hundred microns.
  • the tip 4 is formed or covered with a noble metal, preferably formed of a gold or silver wire.
  • the tip 4 is in electrical contact with the second electrode 9 of the tuning fork.
  • the tip 4 is not connected by a conductive wire to another electronic circuit, which avoids unsymmetrically increasing the probe and stiffening the vibrating probe, and thus retains an excellent quality factor for the tuning fork.
  • the local probe shown in Figure 2 is particularly compact.
  • FIG. 3A shows the amplitude resonance spectrum as a function of the frequency f (Hz) for a resonator mounted with a tip glued to the output electrode 9. For frequencies above the resonance frequency, the appearance is observed antiresonance resulting from parasitic capacitance.
  • electronic compensation means for example a variable parallel capacitance, are added at the summation point of the circuit. electronic signal processing (see Figure 5A).
  • Figures 3B-3C show the resonance spectrum after compensation (Fig. 3B amplitude spectrum and Fig. 3C in-phase spectrum respectively) of the resonator thus obtained. It is observed that the quality factor Q (ratio of the resonance frequency f 0 and the width at half the resonance) is not degraded, unlike a probe of the prior art as shown in FIG. .
  • the second electrode 9 of the probe as shown in FIG. 2 simultaneously collects the tunneling current and a current resulting from the oscillation of the resonator, unlike a probe as represented in FIG. 1 in which these currents are collected. respectively on separate contact points.
  • FIG. 5A shows an electronic schematic of a resonant local probe device according to a preferred embodiment of the invention.
  • a voltage source 19 is connected to the electrodes 8 and 9 to excite the probe 1 in the vicinity of its resonance frequency (f 0 -25 kHz).
  • a conductive line 21 makes it possible to transmit the excitation reference frequency to a synchronous detection system 27 ("lock-in").
  • a sample 5 is based on a sample holder 7.
  • a voltage source 20 makes it possible to apply a DC bias voltage of a few mV to some V, preferably fixed, to the sample 5.
  • a preamplifier 25 (low-noise current / voltage converter and its resistor 26) is connected directly via a conductive line 22 to the output electrode 9 electrically connected to the metal point 4.
  • a filter 34 for example a low-pass filter and a filter 33, for example a bandpass, are arranged at the output of the preamplifier 25. At the output of the filter 34, a signal representative of the filtered tunnel effect current of the 25 kHz signal is obtained. .
  • the electronic circuit 28 comprises a digital acquisition card, comprising an internal real-time processor as well as high-resolution analog-digital (A / D or ADC) and digital-to-analog (N / A or DAC) converters.
  • the electronic circuit 28 is driven by the computer 29 and provides respectively a first signal representative of the amplitude of the vibrating probe on a first output 41, a second signal representative of the phase of the vibrating probe on a second output 42 and a third signal representative of a current tunnel effect on a third output 43. All these signals are transmitted to a computer to build an image during a scan. Each of these three signals 41, 42, 43 may be chosen as variable for regulating the position of the tip 4 above the sample.
  • a device based on the diagram of FIG. 5A thus makes it possible to manufacture a multi-mode microscope that can operate either in friction force mode, or in tunnel mode, or in a mode combining friction force and tunnel current, these two tools not interfering with each other.
  • the electronic diagram of FIG. 5A makes it possible to simultaneously amplify the small signals of the tunnel current (between a few pA and nA) and the resonator by using a single preamplifier 25.
  • the summing point of the amplifier is located before the preamplifier 25. , on the conductive line 22.
  • This electronic device robust to ambient interference, can optionally add to this summation point an electronic circuit for compensating the antiresonance of the resonator, and possible compensation of the interference due to 50 Hz.
  • the electronic circuit can be integrated closer to the local probe, directly into a so-called active multimode microscope head, to limit interference noise.
  • the electronics of FIG. control controlling these nano-movements 30 may be connected to one of the three outputs 41, 42, 43 for regulation on one of the signals from the vibrating probe (amplitude or phase) or the tunnel current and a measurement of the other signal depending on the scanning of the probe on the surface of the sample.
  • the device of FIG. 5A is based on the use of a single common electronic circuit connected to only two points of electrical contacts 8, 9 on the probe 1.
  • a multimode microscope with local probe operating on the simultaneous detection on the one hand shear-force forces and on the other hand the tunnel current and on a distance control based on one or the other of these signals.
  • the multi-mode local probe microscope of the invention can operate at atmospheric temperature and pressure.
  • FIG. 5B represents an electronic diagram of a resonant local probe device according to an alternative embodiment of the invention, the same reference signs representing the same elements as in FIG. 5A.
  • a conductive line 22 connects the output electrode 9 to a first filter 23 and a second filter 24.
  • the first filter 23 is a bandpass filter centered around the frequency of the oscillator, for example at 25 kHz.
  • the second filter 24 is a low-pass filter at the output of which is obtained a signal representative of the filtered tunnel current of the 25 kHz signal.
  • the filters 23, 24 allow a decoupling of the respective bandwidths of the relative signals on the one hand to the vibrating probe and on the other hand to the tunnel current.
  • a preamplifier 25 (low-noise current / voltage converter and its resistor 26) makes it possible to amplify a signal representative of the tunneling current between the tip 4 and the polarized sample 5, when the sample 5 is conductive or semiconductor.
  • a real-time electronic circuit 28 comprising a digital acquisition card (internal real-time processor as well as high-resolution analog-digital (A / D or ADC) and digital-to-analog (D / A or DAC) converters) driven by a computer 29, provides respectively a first signal representative of the amplitude of the vibrating probe on a first output 41, a second signal representative of the phase of the vibrating probe on a second output 42 and a third signal representative of a current effect-tunnel on a third exit 43.
  • FIG. 6 diagrammatically represents a local probe of a multimode microscope according to the invention, as described with reference to FIG. 2. It is sought to regulate the distance Z between the end of tip 4 and the surface of the sample 5 in real time.
  • the main difficulty lies in the fact that the regulation distance Z 0 is not precisely known in shear-force mode. However, in some applications, particularly in peak-excited Raman spectroscopy, it is desired to bring the distance Z to a distance of less than or equal to about 5 nm to regulate precisely at this same distance, avoiding any contact between the end of the tip. 4 and the surface of the sample 5, even though the tip is vibrating in the XY plane.
  • the device described in connection with FIGS. 2 and 5A makes it possible to simultaneously measure the signals of the friction force microscope (Shear-Force mode) and the tunnel current (STM mode) and to choose from regulate the position of the tip on the detection of friction forces and simultaneously view the tunnel current or vice versa.
  • the calibration process comprises the following steps:
  • a distance Z tun n ei by measuring the tunnel current on a reference conductive sample (selected from reference samples of different types: metallic, doped semiconductor, conductive glass);
  • This regulation is then operational on any other sample of the same nature as the selected reference sample.
  • the tunnel current calibration is performed on a conductive sample at a distance of a few nanometers for which a tunnel current is detected.
  • a reference torque corresponding to a distance z.sub.z that is nonzero and a tunnel current l 0 is known .
  • the reference amplitude value corresponding to this calibrated distance z tunn ei can then be used on another non-conductive sample (of the same nature as the selected reference sample), thus to enslave in Shear-Force mode the tip to a distance z tunn ei known with respect to the reference distance z 0 .
  • FIGS. 7A-7B show the end of a probe tip 4 of a multimode local probe microscope as described with reference to FIGS. 2 and 5A, in the TERS application.
  • An excitation laser beam 50 is focused on the surface of the sample 5.
  • the end of the tip is at a distance Z from the surface of the sample greater than a few tens of nanometers, the detection the Raman signal is then called in the far field.
  • the laser beam incident on the surface of the sample generates a Raman Si scattering signal.
  • the spatial resolution Ri of a measurement of the Raman Si spectrometry signal is determined by the spatial extent of the laser beam 50 on the surface of the sample.
  • This spatial resolution Ri is typically of the order of the wavelength of the laser beam.
  • the tip 4 is approximated at a non-zero distance z 0 , corresponding to the near field.
  • the laser excitation beam 50 generates in addition to the signal Si, an amplified Raman scattering signal S 2 in the vicinity of the end of the tip and the local surface of the sample.
  • the Raman Si and S 2 spectrometry signals are superimposed and are detected simultaneously. However, it is observed that the intensity of the Raman S 2 signal in the near field is much greater than the intensity of the Raman Si signal in the far field.
  • the Raman signal detected when the tip 4 approximated at a distance z 0 is therefore essentially representative of the surface of the sample locally around the end of the tip, on a surface of dimension R 2 .
  • This phenomenon corresponds to the TERS effect of Raman exaltation by peak effect, which makes it possible to obtain a Raman signal of sub-nanometric spatial resolution.
  • the tip of the microscope is a tip of noble metal, gold or silver.
  • the device and method of the invention allow, by controlling tip-to-sample distance at an extremely small distance, to combine a friction force microscope with a Raman spectrometer to perform peak-exalted Raman spectroscopy measurements at a single point. controlled and low distance, which was out of reach of the previous devices without damaging the tip or the sample.
  • the exaltation effect of the Raman signal is exponential as a function of the inverse of the distance Z: the smaller the distance Z, the higher the intensity of the Raman signal S 2 .
  • An increase in the Raman signal of three orders of magnitude is observed when the distance between the end of the tip is between 1 and 30 nm.
  • This exaltation of the Raman signal in the near field therefore requires a control extremely pushed the distance between a vibrating local probe and the surface of a sample.
  • This control requires not only to approach the tip at a very small distance, but also to regulate this distance during the transverse vibration movements of the vibrating probe and while avoiding a destructive contact between the tip and the sample.
  • Figure 8 schematically shows a timing chart for recording a nano-Raman signal.
  • the sample-tip distance is slaved to a calibrated distance Z 0 by virtue of the calibration described in the invention, for example 30 nm .
  • a second period T2 or At we exert a shift - ⁇ to bring the tip to a small but non-zero distance from the surface of the sample (- ⁇ is equal to -25, -20, -10 or -5 nm , for example).
  • FIG. 9 represents the intensity of two Raman spectra of the same sample as a function of the wave number ⁇ (cm -1 ) respectively for two distances Z.
  • a first spectrum Si is obtained for a regulation distance equal to Z 0 30 nm and a second spectrum S2 is obtained for a distance equal to Z 0 - ⁇ (15 nm). It is observed in the second spectrum S2 of the Raman emission lines characteristic of the probed molecules that do not appear on the first spectrum Si .
  • This result illustrates the effect of exaltation of the Raman signal in the near field, when the tip is approached at a very small distance, but not zero, from the surface of the sample.
  • the invention proposes a multimode local probe microscope which allows simultaneous measurements in friction force (Shear-force) and tunnel mode (STM) mode, the operation of one not affecting the other, at temperature and atmospheric pressure.
  • This microscope has only two electrical contact points on the probe and preferably only one common preamplifier in a single electronic circuit comprising active or passive filters.
  • This multimode local probe microscope makes it possible to very precisely regulate and calibrate the working distance between the tip and the surface of the sample, in particular for a very short distance, of the order of a few nanometers. This operation makes it possible to very effectively combine such a resonant local probe microscope with a Raman spectrometer, for the acquisition of spectrometry measurements. Raman exalted by tip.
  • the amplification factor of the TERS Raman signal increases inversely with the decrease of the Z-distance, which makes it possible to obtain Raman TERS measurements presenting both unprecedented sensitivity and spatial resolution.

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Abstract

La présente invention concerne un microscope à sonde locale multimode comportant un résonateur (1), une première électrode (9) et une seconde électrode (8), une source d'excitation adaptée pour générer une résonance mécanique dans le résonateur, une pointe (4) métallique fixée sur le résonateur, des moyens de déplacement relatif entre la sonde locale et un échantillon adaptés pour approcher l'extrémité de la pointe à une distance Z comprise entre 0 et 100 nm et des moyens de détection d'au moins un signal électrique représentatif des forces de friction aux bornes desdites électrodes (8, 9). Selon l'invention, ladite pointe métallique (4) est reliée électriquement à ladite deuxième électrode de sortie (9) et l'appareil de microscopie comporte des moyens d'amplification et de filtrage des signaux relatifs aux forces de frictions et au courant tunnel dans un seul et même circuit électronique, des moyens de régulation de la distance Z entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon.

Description

Microscope à sonde locale multimode, microscope Raman exalté par pointe et procédé de régulation de la distance entre la sonde locale et l'échantillon
La présente invention concerne de manière générale le domaine de la microscopie à sonde locale.
La microscopie à sonde locale, ou microscopie à balayage de pointe, est basée sur la mesure d'une grandeur physique lors du balayage d'une pointe à très faible distance de la surface d'un échantillon. La microscopie à sonde locale permet d'obtenir une image de la topographie de surface d'un échantillon avec une résolution spatiale supérieure à la résolution d'un microscope optique.
II existe différentes techniques de microscopie à sonde locale. On peut citer en particulier la microscopie à force atomique (AFM, « Atomic Force Microscope »), la microscopie à effet tunnel (STM, « Scanning Tunneling Microscope ») et la microscopie à force de friction (SFM, « Shear-Force Microscope »).
Un microscope à effet tunnel comporte une pointe électriquement conductrice qui permet de collecter le courant électrique généré par effet tunnel lorsque la pointe est amenée à très faible distance (entre 0 et 5 nm) de la surface d'un échantillon conducteur. Un STM comporte généralement des moyens de régulation du courant tunnel basés sur un nano- mouvement entre l'échantillon et la pointe suivant l'axe Z de la pointe à l'aide d'une céramique piézo-électrique, l'axe Z étant généralement transverse à la surface de l'échantillon. La valeur du positionnement effectué suivant l'axe Z pour asservir le courant tunnel en fonction d'un balayage de la pointe en XY est alors représentative de l'évolution du relief en surface de l'échantillon. La microscopie par effet tunnel permet de fournir une image de topographie de surface de résolution sub-nanométrique. Un STM requiert une pointe conductrice, généralement métallique, en nickel ou en tungstène. L'application du STM est cependant limitée aux échantillons conducteurs.
La microscopie à force atomique (AFM) est basée sur l'utilisation des forces de répulsion et d'attraction entre les atomes de la surface de l'échantillon et les atomes de l'extrémité de la pointe, qui est de dimension nanométrique. Un microscope à force atomique comporte généralement un levier supportant une pointe en silicium ou nitrure de silicium, éventuellement recouverte d'un dépôt métallique. De manière classique, on observe le déplacement de la pointe par la mesure de la déviation d'un faisceau laser réfléchi sur le levier de la pointe. La distance entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon est maîtrisée par une détection très fine des régimes d'attraction et de répulsion, de manière à éviter tout contact entre la pointe et la surface. Un AFM permet d'observer tout type d'échantillon.
Un microscope à force de friction (SFM) comporte une sonde locale résonante ou vibrante, comprenant généralement un oscillateur piézo-électrique (ou résonateur, généralement en forme de diapason) en quartz sur lequel est fixée une pointe fine. Excité à sa fréquence de résonance f0 (entre 15 et 30 kHz) par l'application d'un signal électrique à ses bornes ou par une excitation mécanique, le résonateur induit une vibration de la pointe de faible amplitude (~ 1 nm) transversalement à l'axe Z de la pointe. Lorsque la pointe vibrante est approchée de la surface d'un échantillon à une distance inférieure à une centaine de nm, on observe, sous l'action de forces de friction et/ou de forces de cisaillement entre l'extrémité de la pointe vibrante et la surface de l'échantillon, une modification des paramètres de la résonance du résonateur. Cette modification du résonateur se traduit par un amortissement de l'amplitude du résonateur et un décalage de la fréquence de résonance d'où une réduction du facteur de qualité Q du résonateur. Le mode d'imagerie consiste à balayer la pointe parallèlement à la surface de l'échantillon et à mesurer l'amplitude du courant résultant de l'excitation, lui-même proportionnel à l'amplitude d'oscillation mécanique des branches du résonateur. On utilise différents types de pointes pour le SFM : une fibre optique effilée ou une pointe métallique. Une des limites de la microscopie à force de friction est que la distance entre la pointe et la surface de l'échantillon est généralement inconnue, cette distance étant usuellement comprise entre une vingtaine et une centaine de nm. Cette distance est généralement estimée grâce à la détection de l'instant de contact entre la pointe et l'échantillon, induisant la destruction de l'extrémité de la pointe, ce qui nuit à la résolution spatiale. Un microscope à force de friction permet de cartographier la topographie de surface de tout type d'échantillon, mais fournit une image de topographie avec une résolution spatiale dans le plan XY relativement dégradée du fait des oscillations de la pointe.
II existe aussi des microscopes, dits à sonde locale multimode, qui combinent différents mode de fonctionnement de microscopie à sonde locale.
Ainsi la publication J-P. Ndobo-Epoy et al. « Shear-force microscopy with a nanoscale resolution », Ultramicroscopy 103 (2005), pp. 229-236 décrit un microscope à force de friction comprenant une sonde locale résonante comprenant un diapason (« tuning fork »), sur lequel est collée une pointe de nickel. Un premier circuit électronique est relié aux deux électrodes du diapason pour mesurer l'amplitude d'oscillation. Un deuxième circuit électronique est relié à la pointe pour mesurer le courant tunnel entre la pointe de nickel et un échantillon d'or. Selon les auteurs de cette publication, le chargement d'une branche du résonateur par la pointe et la colle induit une réduction considérable du facteur de qualité du résonateur (Q~100). De plus, ce dispositif ne permet pas d'éviter un contact entre la pointe et la surface de l'échantillon ni de calibrer précisément la distance entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon pour une distance inférieure à 20 nm, du fait d'un amortissement quasi-total de l'amplitude d'oscillation des branches du diapason.
D'autre part, la publication Yeong Seo et al. « Electrostatic force microscopy using a quartz tuning fork », Appl. Phys. Lett. 80, 4324 (2002) décrit un microscope à force électrostatique basé sur une fourche résonante (diapason) et une pointe de nickel fixée sur une électrode de la fourche. La pointe est utilisée soit en mode de contact avec la surface de l'échantillon pour appliquer localement une force électrostatique constante ou alternativement à une distance constante de 50 nm pour mesurer une force électrostatique entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon.
Le document M. Woszczyna et al., « Tunneling/shear force microscopy using piezoelectric tuning forks for characterization of topography and local electric surface properties » Ultramicroscopy 1 10, 877 (2010), décrit un microscope à sonde locale résonante comprenant une pointe de tungstène fixée sur un résonateur en quartz ayant la forme d'un diapason à deux branches (quartz tuning fork). Le diapason est excité à sa fréquence de résonance par une excitation mécanique. Deux électrodes sur les branches du diapason permettent de mesurer électriquement l'amplitude d'oscillation des branches en utilisant l'effet piézo-électrique naturellement présent dans le cristal de quartz. Ces deux électrodes sont reliées à un préamplificateur pour ensuite pour amplifier le signal relatif les forces de cisaillement entre la pointe et la surface d'un échantillon. Une troisième électrode relie électriquement la pointe à un convertisseur courant-tension permettant de mesurer le courant tunnel entre la pointe et la surface de l'échantillon recouverte d'une couche mince d'or ou de diamant. Ce microscope permet de mesurer indépendamment le courant par effet tunnel et la force de cisaillement latéral en un même point de la surface de l'échantillon. Cependant, cette configuration a pour effet de dégrader drastiquement le facteur de qualité du diapason (d'un facteur dix) ce qui réduit la sensibilité du microscope en régime force de friction. On observe ainsi une rigidification du système qui nuit à la régulation de la distance pointe-échantillon, notamment pour une distance inférieure à une vingtaine de nanomètres. Ce dispositif ne permet pas non plus de calibrer précisément la distance pointe-échantillon, cette distance étant seulement estimée. Certes, Karrai et al. (Phys. Rev. B 62, 13174, 2000) divulguent une mesure de topographie illustrant la rugosité atomique d'un échantillon de graphite sous vide en mode courant tunnel constant, un diapason étant excité à sa fréquence de résonance. Cependant, ce système connu requiert un environnement sous vide, son fonctionnement à pression atmosphérique est fortement dégradé.
D'autre part, la microscopie en champ proche peut être avantageusement couplée à différentes techniques d'analyses. En particulier, la technique de spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe (TERS, « Tip Enhanced Raman Spectroscopy »), ou nanoRaman, concerne le couplage d'un appareil de spectroscopie Raman avec un microscope à sonde locale équipé d'une pointe en métal noble ou recouverte d'un métal noble. On observe une exaltation du signal Raman émis localement en un point de la surface d'un échantillon lorsque le faisceau laser d'excitation du spectromètre Raman est focalisé sur l'extrémité de la pointe du microscope en champ proche approchée à quelques nanomètres de la surface de l'échantillon, due à une amplification locale du champ électromagnétique. La distance pointe-échantillon est généralement régulée grâce à un AFM, mais la résolution topographique est alors dégradée compte tenu de la couche de métal déposée sur la pointe, ou bien grâce à un STM, mais la nécessité de réguler sur le courant tunnel permet uniquement l'analyse TERS d'échantillons conducteurs. Ceci fait que la technique TERS est très difficile à mettre en œuvre.
Il est souhaitable de développer un microscope à sonde locale, notamment pour les applications TERS, dans lequel la distance entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon est comprise entre 0 et environ 20nm, cette distance étant contrôlée et calibrée. Une première difficulté est de rapprocher la pointe de la surface de l'échantillon à une distance très faible de quelques nanomètres seulement. Une autre difficulté est de contrôler cette distance très faible lors du balayage de la pointe. Encore une autre difficulté est d'éviter un contact entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon, tout contact étant susceptible d'endommager l'extrémité nanométrique de la pointe. Il n'existe pas de spectroscopie Raman TERS fonctionnant avec une sonde locale de type forces de friction permettant de contrôler et de calibrer précisément la distance entre l'extrémité d'une pointe et la surface d'un échantillon dans la gamme de distance comprise entre 0 et une vingtaine de nm, et de préférence inférieure à 10nm, sans impliquer de contact entre l'extrémité de la pointe et la surface.
Un des buts de l'invention est de fournir un microscope multimode à sonde locale dans lequel la distance entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon puisse être asservie, en particulier pour une distance faible, inférieure à quelques dizaines de nanomètres.
Un autre but de l'invention est de proposer un appareil de spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe à une distance très faible et régulée entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon.
Encore un autre but de l'invention est de fournir un procédé de calibration de la distance entre l'extrémité d'une pointe de microscope à sonde locale, notamment à force de friction, et la surface d'un échantillon, lorsque cette distance est comprise entre 0 et 10nm.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des microscopes à sonde locale de l'art antérieur et propose plus particulièrement un microscope à sonde locale multimode comprenant un résonateur (de préférence un diapason en quartz) comportant une première électrode d'entrée et une seconde électrode de sortie disposées sur le résonateur, des moyens d'excitation adaptés pour générer une résonance mécanique dans le résonateur (le diapason), une pointe métallique ou métallisée ayant une extrémité de dimension nanométrique, la pointe étant fixée sur le résonateur, des moyens de déplacement relatif entre le résonateur et un échantillon adaptés pour approcher l'extrémité de la pointe à une distance Z comprise entre 0 et 100 nm de la surface de l'échantillon.
Selon l'invention, ladite pointe métallique est reliée électriquement à ladite seconde électrode de sortie, ladite seconde électrode de sortie formant un point de contact électrique commun pour collecter d'une part un premier signal électrique relatif aux forces de friction entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon et d'autre part, un deuxième signal électrique relatif à un courant tunnel entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon, et le microscope comporte des moyens d'amplification reliés électriquement à ladite seconde électrode de sortie, lesdits moyens d'amplification étant adaptés pour amplifier simultanément le premier signal relatif aux forces de friction et le deuxième signal relatif au courant tunnel, des moyens de traitement adaptés pour traiter séparément d'une part le premier signal relatif aux forces de friction et d'autre part le deuxième signal relatif au courant tunnel, et des moyens de régulation adaptés pour réguler la distance Z entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon, dans un premier mode, en fonction du premier signal représentatif des forces de friction et respectivement, dans un deuxième mode, en fonction du deuxième signal relatif au courant tunnel.
Le dispositif permet de réguler la distance Z entre 0 et quelques dizaines de nanomètres, tout en évitant un contact mécanique entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon.
Le microscope à sonde locale de l'invention permet de mesurer simultanément les forces de friction et le courant-tunnel, et peut fonctionner de manière multi-mode : dans un premier mode, on mesure les forces de friction, tout en régulant la distance pointe-échantillon sur le courant tunnel ; dans un autre mode, on mesure le courant tunnel, tout en régulant la distance pointe-échantillon sur la mesure des forces de friction. La configuration de la sonde locale évite de relier la pointe métallique ou métallisée à un fil conducteur externe pour collecter un signal représentatif des forces de friction ce qui rend la sonde locale moins sensible aux perturbations externes et permet de maintenir le facteur de qualité du résonateur à une valeur élevée. La collecte et l'amplification en un même point de sommation d'un signal de courant- tunnel et d'un signal représentatif des forces de friction permettent ainsi d'améliorer le rapport signal sur bruit de ces deux signaux.
Selon des aspects particuliers et avantageux, le microscope à sonde locale multimode comporte :
- des moyens d'amplification communs des deux signaux comprenant un préamplificateur faible bruit pour amplifier simultanément le courant résultant de l'excitation du résonateur et le courant tunnel ;
- les moyens de traitement comportent des moyens de filtrage électronique actifs ou passifs reliés à la seconde électrode, lesdits moyens de filtrage étant adaptés pour séparer d'une part le premier signal relatif aux forces de friction et d'autre part le deuxième signal relatif au courant tunnel en fonction de leurs fréquences respectives, pour un traitement ultérieur de régulation ;
- lesdits moyens de filtrage comprennent un filtre passe-bande adapté pour filtrer spectralement ledit premier signal relatif aux forces de friction (autour de f0 = 25kHz par exemple), de préférence, avant l'entrée dans un système de détection synchrone (« lock-in ») ; et un filtre passe-bas adapté pour filtrer spectralement ledit deuxième signal relatif au courant tunnel (de préférence de 0 à 10 kHz) ; - la pointe est formée ou recouverte d'un métal choisi de préférence parmi l'or et l'argent ;
- le microscope comporte des moyens de balayage (en XY) de la pointe relativement à la surface de l'échantillon ;
- le résonateur à quartz en forme de diapason (ou fourche résonante) ayant une première branche et une seconde branche, la première électrode d'entrée étant disposée sur la première branche et la seconde électrode de sortie étant disposée sur la seconde branche.
Avantageusement, les moyens de filtrage comprennent un filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure à 10 kHz relatif au courant tunnel, et un filtre passe-bande pour laisser passer un signal autour de f0 relatif aux forces de friction et/ou cisaillement.
L'invention concerne aussi un microscope Raman exalté par pointe comprenant un microscope à sonde locale multimode selon un mode de réalisation décrit, ledit microscope Raman comprenant un spectromètre Raman, des moyens de focalisation d'un faisceau laser d'excitation sur l'extrémité de la pointe du microscope, et des moyens de détection d'un signal de diffusion Raman généré par l'échantillon au voisinage de ladite pointe.
Selon un mode de réalisation préféré, le microscope Raman exalté par pointe comprend des moyens de déclenchement de la détection du signal de diffusion Raman et des moyens de synchronisation reliés d'une part aux moyens de déclenchement de la détection et d'autre part aux moyens de régulation de la distance Z entre la pointe et l'échantillon, de manière à synchroniser lesdits moyens de déclenchement de la détection du signal de diffusion Raman et lesdits moyens de régulation lors d'un rapprochement de la pointe à une distance Ζ0-ΔΖ prédéterminée.
L'invention concerne aussi un procédé de calibration de la distance Z entre la surface d'un échantillon et l'extrémité de la pointe d'un microscope à sonde locale multimode selon l'un des modes de réalisation décrits, ledit procédé de calibration comportant les étapes suivantes :
o Génération d'une résonance mécanique dans le résonateur adaptée pour produire une vibration de l'extrémité de la pointe de sonde locale ; o Rapprochement de la pointe vers la surface d'un échantillon de référence ;
o Détection simultanée d'un premier signal électrique relatif aux forces de friction entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon de référence et d'un deuxième signal relatif à un courant tunnel généré entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon de référence ;
o Détermination, pour ledit échantillon de référence, d'une distance de référence d'apparition d'un courant tunnel de référence, ladite distance de référence correspondant à une distance pour laquelle ledit deuxième signal est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé de courant tunnel pour ledit échantillon de référence ; o Mesure d'une valeur de référence du premier signal relatif aux forces de friction sur ledit échantillon de référence à ladite distance de référence d'apparition de courant tunnel ;
o Régulation sur le premier signal relatif aux forces de friction, pour tout type d'échantillon de même nature que l'échantillon de référence, en fonction de ladite valeur de référence du premier signal relatif aux forces de friction sur ledit échantillon de référence à ladite distance de référence d'apparition de courant tunnel.
Avantageusement, ladite distance de référence est supérieure à zéro et inférieure ou égale à 10 nm et de préférence inférieure à 5 nanomètres. Cette calibration s'effectue sur un échantillon conducteur, puis est transférable sur tout autre type d'échantillon semi-conducteur ou isolant (tel que le verre).
Avantageusement, le microscope à sonde locale comporte des moyens de mesure d'une variation d'au moins un paramètre du résonateur au cours du balayage en XY de ladite pointe et des moyens de traitement adaptés pour extraire de ladite variation une image représentative de la topographie de la surface de l'échantillon résolue spatialement en XY. De préférence, lesdits moyens de mesure comportent également des moyens de mesure d'un courant tunnel entre l'extrémité de la pointe et un point de la surface d'un échantillon, lorsque ladite extrémité de pointe est placée à une distance non nulle pour éviter tout dommage de ladite pointe.
De façon avantageuse, les moyens d'amplification comprennent un préamplificateur faible bruit.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse en spectroscopie Raman exaltée par pointe, dans laquelle un microscope à sonde locale est couplé à un spectromètre Raman pour des mesures de spectrométrie Raman avec une résolution spatiale nanométrique.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente le schéma électronique d'une sonde en forme de diapason d'un microscope à force de friction et de détection du courant tunnel selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente schématiquement une vue en perspective d'une sonde en forme de diapason d'un microscope à force de friction selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3A représente l'amplitude de résonance du résonateur, dans un exemple de réalisation de l'invention, avant compensation; la figure 3B représente l'amplitude de résonance du résonateur, après compensation; la figure 3C représente la phase correspondante du résonateur;
- la figure 4 représente schématiquement la distribution en fréquence de signaux représentatifs respectivement d'un courant tunnel et d'un résonateur à quartz ;
- la figure 5A représente un schéma électronique d'un dispositif à sonde locale résonante selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 5B représente un schéma électronique d'un dispositif à sonde locale résonante selon une alternative du mode de réalisation de la figure 5A ;
- la figure 6 représente schématiquement une sonde locale d'un microscope multiple selon l'invention, fonctionnant sur la détection des forces de friction et du courant tunnel, à différentes distances de la surface d'un échantillon ;
- les figures 7 A et 7B représentent schématiquement la résolution spatiale d'une mesure de spectrométrie Raman lorsqu'une pointe de sonde locale est située respectivement en champ lointain (7A) et en champ proche (7B) pour une mesure nano-Raman ou TERS ;
- la figure 8 représente un diagramme temporel de contrôle de la distance pointe- échantillon, notamment pour des mesures de type TERS ;
- la figure 9 illustre un exemple de mesures nano-Raman ou TERS pour deux distances différentes entre l'extrémité de la pointe et la surface d'un échantillon.
Dispositif
La figure 1 représente schématiquement une sonde d'un microscope à sonde locale de type force de friction, selon l'art antérieur et ses circuits électroniques d'amplification, dans une configuration où l'on souhaite capter un courant (courant d'émission de champ ou courant tunnel) entre l'extrémité de la pointe et la surface de l'échantillon. La sonde ici représentée comporte un résonateur 1 ayant une forme de diapason qui comprend une première branche 10 et une seconde branche 1 1 . De préférence, le résonateur 1 est un résonateur en cristal de quartz analogue à un résonateur à quartz utilisé en horlogerie. La sonde comporte une pointe 4 métallique, par exemple en or, fixée sur l'une des branches 1 1 du diapason de manière à ce qu'une extrémité effilée de la pointe dépasse de l'extrémité de la branche 1 1 , d'environ quelques dixièmes de mm suivant la direction Z. Un générateur de fonction 19 permet d'exciter électriquement le résonateur 1 au voisinage de sa fréquence de résonance de manière à ce que les branches du diapason vibrent dans le plan XY. La fréquence de résonance f0 de la sonde est généralement de quelques dizaines de kHz, typiquement f0 = 32kHz lorsque le résonateur est dépourvu de pointe (non chargé) et par exemple f0 = 25 kHz lorsque le résonateur est chargé avec une pointe. Un échantillon 5 repose sur un porte-échantillon conducteur 7. Une source de tension 20 permet d'appliquer une tension continue à l'échantillon 5. La sonde comporte une première électrode 8 disposée sur la première branche 10 et une seconde électrode 9 disposée sur la seconde branche 1 1 . La première électrode 8 et la seconde électrode 9 sont reliées électriquement à un circuit électronique 12. Avantageusement, le circuit électronique 12 permet d'amplifier et de convertir en tension électrique le courant résultant de l'excitation du résonateur à sa fréquence de résonance. Le signal 13 en sortie du convertisseur 12 peut ensuite être traité par un système électronique pour en extraire des signaux (amplitude et phase) représentatifs des forces de friction et/ou de cisaillement entre la sonde 1 et la surface de l'échantillon 5, lorsque la sonde est proche de la surface de l'échantillon 5.
D'autre part, dans le dispositif antérieur représenté sur la figure 1 , la pointe 4, collée sur la branche 1 1 sans contact électrique avec l'électrode 9, est reliée à un autre contact électrique 14. Un fil électrique 15 relie le contact électrique 14 de la pointe 4 à un autre circuit électronique d'amplification 17 permet d'amplifier un courant tunnel susceptible d'être collecté entre la pointe 4 et l'échantillon 5 et de fournir un signal 18 en sortie du circuit électronique 17.
Le dispositif de l'art antérieur représenté sur la figure 1 permet, idéalement dans des conditions de pression sous vide, de mesurer le courant tunnel entre l'extrémité de la pointe 4 de la sonde vibrante 1 et un échantillon 5 polarisé. Toutefois, le dispositif et le procédé de calibration de la sonde représentée sur la figure 1 repose généralement sur une détection de contact entre l'extrémité de la sonde et la surface de l'échantillon pour calibrer la position Z=0, ce qui détériore l'extrémité de la pointe et dégrade ces capacités d'imagerie.
Une constatation faisant partie de la présente invention est que le facteur de qualité d'une sonde vibrante telle que représentée sur la figure 1 est fortement dégradé par l'adjonction à la pointe métallique d'un contact électrique 14 et d'un fil supplémentaire 15 pour la détection du courant tunnel, du fait d'une rigidification de la sonde et d'une dissymétrie mécanique plus grande du résonateur. Un microscope à sonde locale tel que présenté sur la figure 1 présente des résultats dégradées en mode force de friction et est sensible aux rayonnements électromagnétiques parasites ambiants.
Une deuxième constatation faisant partie de la présente invention est que le dispositif présenté sur la figure 1 comporte deux circuits électroniques de pré-amplification 12 et 17 distincts.
Une troisième constatation est que la sonde de l'art antérieur constituée du résonateur 1 et la pointe 4 comporte trois contacts électriques distincts : la première électrode 8, la seconde électrode 9 et le point de contact électrique 14 sur la pointe 4.
La figure 2 représente schématiquement une vue en perspective d'une sonde comprenant un résonateur 1 en forme de diapason selon un mode de réalisation de l'invention. La sonde comporte un diapason, de préférence en quartz, une première électrode 8 étant disposée sur la première branche 10 et une seconde électrode 9, ou électrode de sortie, étant disposée sur la seconde branche 1 1 . Une pointe 4 métallique (ou métallisée) effilée est fixée sur la seconde branche 1 1 du diapason. La pointe 4 est par exemple collée sur la seconde branche 1 1 , de manière à ce que son extrémité effilée dépasse de l'extrémité de la seconde branche de quelques dizaines à quelques centaines de microns. Avantageusement, la pointe 4 est formée ou recouverte d'un métal noble, de préférence formée d'un fil en or ou en argent. La pointe 4 est en contact électrique avec la deuxième électrode 9 du diapason. La pointe 4 n'est pas reliée par un fil conducteur à un autre circuit électronique, ce qui évite d'alourdir la sonde de manière dissymétrique et de rigidifier la sonde vibrante, et permet ainsi de conserver un excellent facteur de qualité pour le diapason. De plus, la sonde locale représentée sur la figure 2 est particulièrement compacte.
Un générateur relié aux électrodes 8 et 9 permet d'exciter la sonde vibrante au voisinage de sa fréquence de résonance f0 (environ 25kHz quand la sonde est munie de la pointe). La figure 3A représente le spectre de résonance en amplitude en fonction de la fréquence f (Hz) pour un résonateur monté avec une pointe collée sur l'électrode de sortie 9. On observe pour les fréquences supérieures à la fréquence de résonance, l'apparition d'une antirésonance résultant d'une capacité parasite. Afin d'éliminer l'antirésonance créée par la capacité parasite et la déformation de la résonance qui en résulte (voir figure 3A), des moyens de compensation électronique, par exemple une capacité parallèle variable, sont ajoutés au niveau du point de sommation du circuit électronique de traitement des signaux (voir figure 5A). Les figures 3B-3C présentent le spectre de résonance après compensation (Fig. 3B spectre en amplitude et Fig. 3C spectre en phase respectivement) du résonateur ainsi obtenu. On observe que le facteur de qualité Q (rapport de la fréquence de résonance f0 et de la largeur à mi- hauteur de la résonance) n'est pas dégradé contrairement à une sonde de l'art antérieur telle que présentée sur la figure 1 .
Ainsi, la seconde électrode 9 de la sonde telle que représentée sur la figure 2 collecte simultanément le courant-tunnel et un courant résultant de l'oscillation du résonateur, contrairement à une sonde telle que représentée sur la figure 1 dans laquelle ces courants sont collectés respectivement sur des points de contact séparés.
Une autre constatation faisant partie de l'invention est que la distribution en fréquence de signaux représentatifs respectivement d'un courant tunnel et d'un résonateur à quartz permet une séparation en fréquence de ces signaux (cf. figure 4). Le signal Bi représentatif des oscillations de la sonde vibrante reste dans la bande de fréquence autour de la fréquence de résonance propre du résonateur, vers f0 = 25 kHz, tandis qu'un signal représentatif du courant par effet tunnel est situé dans le domaine des basses fréquences, limité à environ 2 kHz. Un même circuit électronique aux bornes des électrodes 8 et 9, comprenant un seul préamplificateur commun relié à l'électrode de sortie 9 de la sonde locale, permet alors de collecter et d'amplifier simultanément un courant tunnel entre la pointe et un échantillon polarisé électriquement et un courant représentatif de l'oscillation de la sonde vibrante, en amplitude et/ou en phase. Cette configuration permet un fonctionnement multimode du microscope à sonde locale, c'est-à-dire un fonctionnement en mode courant-tunnel et/ou en mode force de friction. La figure 5A représente un schéma électronique d'un dispositif à sonde locale résonante selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Une source de tension 19 est reliée aux électrodes 8 et 9 pour exciter la sonde 1 au voisinage de sa fréquence de résonance (f0 -25 kHz). Une ligne conductrice 21 permet de transmettre la fréquence de référence d'excitation à un système de détection synchrone 27 (« lock-in »). Un échantillon 5 repose sur un porte- échantillon 7. Une source de tension 20 permet d'appliquer une tension de polarisation continue de quelques mV à quelques V, de préférence fixe, à l'échantillon 5.
Sur la figure 5A, un préamplificateur 25 (convertisseur courant/tension faible bruit et sa résistance 26) est relié directement par une ligne conductrice 22 à l'électrode de sortie 9 reliée électriquement à la pointe 4 métallique. Un filtre 34, par exemple passe-bas, et un filtre 33, par exemple passe-bande, sont disposés en sortie du préamplificateur 25. En sortie du filtre 34, on obtient un signal représentatif du courant par effet tunnel filtré du signal de 25khz. En sortie du filtre 33 (passe-bande), on obtient un signal représentatif des forces de friction et/ou cisaillement, qui est injecté dans le système de détection synchrone 27 (« lock-in ») pour fournir l'amplitude et la phase de la sonde vibrante autour de la fréquence de résonance de l'oscillateur. Le circuit électronique 28 comprend une carte d'acquisition numérique, comprenant un processeur temps-réel interne ainsi que des convertisseurs analogique-numérique (A/N ou ADC) et numérique-analogique (N/A ou DAC) à haute résolution. Le circuit électronique 28 est piloté par l'ordinateur 29 et fournit respectivement un premier signal représentatif de l'amplitude de la sonde vibrante sur une première sortie 41 , un deuxième signal représentatif de la phase de la sonde vibrante sur une deuxième sortie 42 et un troisième signal représentatif d'un courant par effet-tunnel sur une troisième sortie 43. Tous ces signaux sont transmis à un calculateur pour construire une image lors d'un balayage. Chacun de ces trois signaux 41 , 42, 43 peut être choisi comme variable de régulation de la position de la pointe 4 au-dessus de l'échantillon.
Un dispositif basé sur le schéma de la figure 5A permet ainsi de fabriquer un microscope multi-mode pouvant fonctionner soit en mode force de friction, soit en mode tunnel, ou encore dans un mode combinant force de friction et courant-tunnel, ces deux outils n'interférant pas l'un sur l'autre.
Le schéma électronique de la figure 5A permet d'amplifier simultanément les petits signaux du courant tunnel (compris entre quelques pA et nA) et du résonateur en utilisant un seul préamplificateur 25. Le point de sommation de l'amplificateur est situé avant le préamplificateur 25, sur la ligne conductrice 22. Ce dispositif électronique, robuste aux interférences ambiantes, permet d'ajouter éventuellement à ce point de sommation un circuit électronique de compensation de l'antirésonance du résonateur, ainsi qu'une éventuelle compensation de l'interférence due au 50 Hz. De façon particulièrement avantageuse, le circuit électronique peut être intégré au plus près de la sonde locale, directement dans une tête dite active microscope multimode, pour limiter les bruits d'interférences.
L'utilisation d'un contact électrique entre la pointe 4 et l'électrode de sortie 9, qui représente un point de contact électrique commun pour la détection d'une part du courant tunnel et d'autre part du signal de résonance, rend le microscope à sonde locale insensible aux dispersions de la résistance de contact entre la pointe 4 et l'électrode 8 (à titre d'exemple, une tension de polarisation de l'échantillon de l'ordre de 1 V pour un courant tunnel d'environ 1 nA induit une résistance tunnel d'environ 1 ΘΩ, ce qui reste très supérieur à une résistance de contact d'environ 1 kQ, même si cette résistance n'est pas reproductible d'une pointe à l'autre).
Un système de déplacement piézoélectrique 30, par exemple un actionneur piézoélectrique relié à la sonde 1 , permet de modifier la distance Z par des nano-mouvements entre l'extrémité de la pointe 4 et la surface de l'échantillon 5. L'électronique de régulation pilotant ces nano-mouvements 30 peut être reliée à l'une des trois sorties 41 , 42, 43 pour une régulation sur l'un des signaux provenant de la sonde vibrante (amplitude ou phase) ou du courant tunnel et une mesure de l'autre signal en fonction du balayage de la sonde sur la surface de l'échantillon.
Le dispositif de la figure 5A repose sur l'utilisation d'un seul circuit électronique commun relié à seulement deux points de contacts électriques 8, 9 sur la sonde 1 . On fabrique ainsi un microscope multimode à sonde locale fonctionnant sur la détection simultanée d'une part des forces de friction (« shear-force ») et d'autre part du courant tunnel et sur une régulation de la distance basée sur l'un ou l'autre de ces signaux. Le microscope à sonde locale multimode de l'invention peut fonctionner à température et pression atmosphériques.
La figure 5B représente un schéma électronique d'un dispositif à sonde locale résonante selon une variante de réalisation de l'invention, les mêmes signes de référence représentant les mêmes éléments que sur la figure 5A. Une ligne conductrice 22 relie l'électrode de sortie 9 à un premier filtre 23 et un deuxième filtre 24. Avantageusement, le premier filtre 23 est un filtre passe-bande centré autour de la fréquence de l'oscillateur, par exemple à 25 kHz. En sortie du premier filtre 23 est obtenu un signal représentatif des forces de frictions, injecté par la suite dans un détecteur synchrone 27 (« lock-in »). Avantageusement, le deuxième filtre 24 est un filtre passe-bas en sortie duquel on obtient un signal représentatif du courant tunnel filtré du signal de 25 kHz. Les filtres 23, 24 permettent un découplage des bandes passantes respectives des signaux relatifs d'une part à la sonde vibrante et d'autre part au courant tunnel. En sortie du deuxième filtre 24, un préamplificateur 25 (convertisseur courant/tension faible bruit et sa résistance 26) permet d'amplifier un signal représentatif du courant par effet tunnel entre la pointe 4 et l'échantillon 5 polarisé, lorsque l'échantillon 5 est conducteur ou semi-conducteur. Un circuit électronique temps réel 28, comprenant une carte d'acquisition numérique (processeur temps-réel interne ainsi que des convertisseurs analogique-numérique (A/N ou ADC) et numérique-analogique (N/A ou DAC) à haute résolution) piloté par un ordinateur 29, fournit respectivement un premier signal représentatif de l'amplitude de la sonde vibrante sur une première sortie 41 , un deuxième signal représentatif de la phase de la sonde vibrante sur une deuxième sortie 42 et un troisième signal représentatif d'un courant par effet-tunnel sur une troisième sortie 43.
Procédé de calibration
On propose aussi de calibrer la distance Z entre l'extrémité de la pointe 4 et la surface de l'échantillon 5, dans un mode de régulation des forces de friction (Shear-force) sans contact physique destructeur entre la pointe et la surface de l'échantillon. Le procédé de calibration repose sur la détection du courant tunnel circulant entre la surface de l'échantillon 5 et l'extrémité de la pointe vibrante fixée sur l'électrode 9 de sortie de la sonde 1 , en forme de diapason, simultanément avec une oscillation transverse de la pointe.
La figure 6 représente schématiquement une sonde locale d'un microscope multimode selon l'invention, telle que décrite en lien avec la figure 2. On cherche à réguler la distance Z entre l'extrémité de la pointe 4 et la surface de l'échantillon 5 en temps réel. La difficulté principale réside dans le fait que la distance de régulation Z0 n'est pas connue précisément en mode force de friction (« Shear-force »). Or, dans certaines applications, notamment en spectroscopie Raman exaltée par pointe, on cherche à amener la distance Z à une distance inférieure ou égale à environ 5 nm pour réguler précisément à cette même distance, en évitant tout contact entre l'extrémité de la pointe 4 et la surface de l'échantillon 5, alors même que la pointe est en vibration dans le plan XY.
Comme détaillé plus haut, le dispositif décrit en lien avec les figures 2 et 5A (ou 5B) permet de mesurer simultanément les signaux du microscope à force de friction (mode Shear- Force) et le courant tunnel (mode STM) et de choisir de réguler la position de la pointe sur la détection des forces de friction et de visualiser simultanément le courant tunnel ou vice versa.
Le procédé de calibration comporte les étapes suivantes :
- calibration d'une distance Ztun nei par une mesure du courant tunnel sur un échantillon conducteur de référence (choisi parmi des échantillons de référence de différentes natures : métallique, semiconducteur dopé, verre conducteur) ;
- acquisition de l'amplitude du signal relatif aux forces de friction pendant une régulation de la distance pointe-échantillon de référence grâce au courant tunnel, i.e. à Ztunnei ;
- régulation (ou asservissement) de la distance Z à une valeur Ztunnei en mode de fonctionnement du microscope à force de friction (Shear-Force) sur la valeur d'amplitude mesurée dans l'étape précédente.
Cette régulation est ensuite opérationnelle sur tout autre échantillon de même nature que l'échantillon de référence choisi.
Avantageusement, la calibration du courant tunnel est effectuée sur un échantillon conducteur à une distance de quelques nanomètres pour laquelle un courant tunnel est détecté. On connaît ainsi un couple de référence correspondant à une distance ztu nnei non nulle et un courant tunnel l0. Régulant sur la valeur de l0, il est possible d'acquérir le spectre de résonance de la sonde à cette distance. La valeur d'amplitude de référence correspondant à cette distance calibrée ztunnei peut ensuite être utilisée sur un autre échantillon non conducteur (de même nature que l'échantillon de référence choisi), pour ainsi asservir en mode Shear-Force la pointe à une distance ztunnei connue par rapport à la distance de référence z0.
Application à la spectrométrie Raman exaltée par effet de pointe
Sur les figures 7A-7B, on a représenté l'extrémité d'une pointe 4 de microscope à sonde locale multimode tel que décrit en lien avec les figures 2 et 5A, dans l'application TERS. Un faisceau laser d'excitation 50 est focalisé sur la surface de l'échantillon 5. Sur la figure 7A, l'extrémité de la pointe est à une distance Z de la surface de l'échantillon supérieure à quelques dizaines de nanomètres, la détection du signal Raman est alors dite en champ lointain. Le faisceau laser incident sur la surface de l'échantillon génère un signal de diffusion Raman Si . Lorsque la pointe 4 est à une distance Z correspondant au champ lointain (Fig. 7A), la résolution spatiale Ri d'une mesure du signal de spectrométrie Raman Si est déterminée par l'étendue spatiale du faisceau laser 50 sur la surface de l'échantillon. Cette résolution spatiale Ri est classiquement de l'ordre de la longueur d'onde du faisceau laser. Sur la figure 7B, la pointe 4 est approchée à une distance z0 non nulle, correspondant au champ proche. Dans cette configuration, le faisceau d'excitation laser 50 génère en plus du signal Si , un signal amplifié de diffusion Raman S2 au voisinage de l'extrémité de la pointe et de la surface locale de l'échantillon. Les signaux de spectrométrie Raman Si et S2 se superposent et sont détectés simultanément. Toutefois, on observe que l'intensité du signal Raman S2 en champ proche est bien supérieure à l'intensité du signal Raman Si en champ lointain. Le signal Raman détecté lorsque la pointe 4 approchée à une distance z0 est donc essentiellement représentatif de la surface de l'échantillon localement autour de l'extrémité de la pointe, sur une surface de dimension R2. Ce phénomène correspond à l'effet TERS d'exaltation Raman par effet de pointe, qui permet d'obtenir un signal Raman de résolution spatiale sub-nanométrique.
Avantageusement, dans les applications TERS, la pointe du microscope est une pointe en métal noble, or ou argent.
Le dispositif et le procédé de l'invention permettent, par une régulation de la distance pointe-échantillon à une distance extrêmement faible, de combiner un microscope à force de friction à un spectromètre Raman pour effectuer des mesures de spectroscopie Raman exaltée par pointe à une distance faible et contrôlée, qui était hors d'atteinte des dispositifs antérieurs sans endommager la pointe ou l'échantillon. De plus, l'effet d'exaltation du signal Raman est exponentiel en fonction de l'inverse de la distance Z : plus la distance Z est réduite, plus l'intensité du signal Raman S2 augmente. On observe une augmentation du signal Raman de trois ordres de grandeur lorsque la distance entre l'extrémité de la pointe est comprise entre 1 et 30 nm. Cette exaltation du signal Raman en champ proche requiert donc un contrôle extrêmement poussé de la distance entre une sonde locale vibrante et la surface d'un échantillon. Ce contrôle nécessite non seulement d'approcher la pointe à une distance très faible, mais aussi de réguler cette distance pendant les mouvements de vibration transverses de la sonde vibrante et tout en évitant un contact destructeur entre la pointe et l'échantillon.
La figure 8 représente schématiquement un chronogramme pour l'enregistrement d'un signal de nano-Raman. Pendant la première période T1 , on asservit la distance pointe- échantillon à une distance Z0 calibrée grâce à la calibration décrite dans l'invention, par exemple 30 nm. Pendant une deuxième période T2 ou At, on exerce un décalage -Δζ pour rapprocher la pointe à une distance faible mais non nulle de la surface de l'échantillon (-ΔΖ est égal à -25, -20, -10 ou -5 nm, par exemple). Pendant la période T2, la distance Z n'est pas régulée, mais cette distance est déterminée par rapport à la distance calibrée Z0 et au décalage -Δζ connu : Z = Ζ0 - Δζ. De manière synchrone, pendant cette deuxième période, on déclenche l'ouverture de l'obturateur ou le système de déclenchement de la détection du spectromètre Raman, alors que le faisceau laser d'excitation 50 est focalisé sur l'extrémité de la pointe 4. On acquiert un signal Raman exalté par pointe S2 pendant cette période T2. Pendant une troisième période T3, on rétracte la pointe en appliquant un déplacement inverse +Δζ, de manière à revenir à la distance Z0 à laquelle est effectuée la régulation, et simultanément l'obturateur de la détection est refermé. Une fois la calibration effectuée, par exemple pour une application nano- Raman, Δζ et At sont programmables. Le mode de fonctionnement décrit en lien avec la figure 8 correspond à un fonctionnement alterné à force de friction/TERS (« Shear-force/tapping »).
La figure 9 représente l'intensité de deux spectres Raman d'un même échantillon en fonction du nombre d'onde ω (cm"1) respectivement pour deux distances Z. Un premier spectre Si est obtenu pour une distance de régulation égale à Z0 à 30 nm et un deuxième spectre S2 est obtenu pour une distance égale à Z0 -Δζ (15 nm). On observe sur le deuxième spectre S2 des raies d'émission Raman caractéristiques des molécules sondées qui n'apparaissent pas sur le premier spectre Si. Ce résultat illustre l'effet d'exaltation du signal Raman en champ proche, lorsque la pointe est approchée à une distance très faible, mais non nulle, de la surface de l'échantillon.
L'invention propose un microscope à sonde locale multimode qui permet des mesures simultanées en mode force de friction (Shear-force) et en mode tunnel (STM), le fonctionnement de l'un n'affectant pas l'autre, à température et pression atmosphérique. Ce microscope comporte seulement deux points de contact électriques sur la sonde et de préférence un seul préamplificateur commun dans un seul circuit électronique comprenant des filtres actifs ou passifs. Ce microscope à sonde locale multimode permet de réguler très précisément et de calibrer la distance de travail entre la pointe et la surface de l'échantillon, notamment pour une très faible distance, de l'ordre de quelques nanomètres. Ce fonctionnement permet de combiner très efficacement un tel microscope à sonde locale résonante avec un spectromètre Raman, pour l'acquisition de mesures de spectrométrie Raman exaltée par pointe. Le facteur d'amplification du signal Raman TERS augmente inversement avec la diminution de la distance Z, ce qui permet d'obtenir des mesures Raman TERS présentant à la fois une sensibilité et une résolution spatiale inédites.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Microscope à sonde locale multimode comprenant :
- un résonateur (1 ) comportant une première électrode d'entrée (8) et une seconde électrode de sortie (9) disposées sur le résonateur (1 ),
- des moyens d'excitation (19) adaptés pour générer une résonance mécanique dans le résonateur (1 ),
- une pointe (4) métallique ou métallisée ayant une extrémité de dimension nanométrique, la pointe (4) étant fixée sur le résonateur (1 ),
- des moyens de déplacement relatif entre le résonateur (1 ) et un échantillon (5) adaptés pour approcher l'extrémité de la pointe (4) à une distance Z comprise entre 0 et 100 nm de la surface de l'échantillon,
caractérisé en ce que :
- ladite pointe (4) est reliée électriquement à ladite seconde électrode de sortie (9), ladite seconde électrode de sortie (9) formant un point de contact électrique commun pour collecter d'une part un premier signal électrique relatif aux forces de friction entre l'extrémité de la pointe (4) et la surface de l'échantillon (5) et d'autre part, un deuxième signal électrique relatif à un courant tunnel entre l'extrémité de la pointe (4) et la surface de l'échantillon (5) ;
- et en ce que le microscope comporte :
- des moyens d'amplification (25) reliés électriquement à ladite seconde électrode de sortie (9), lesdits moyens d'amplification étant adaptés pour amplifier le deuxième signal relatif au courant tunnel ;
- des moyens de traitement (23, 24, 33, 34) adaptés pour traiter séparément d'une part le premier signal relatif aux forces de friction et d'autre part le deuxième signal relatif au courant tunnel, et
- des moyens de régulation adaptés pour réguler la distance Z entre l'extrémité de la pointe (4) et la surface de l'échantillon (5), dans un premier mode, en fonction du premier signal représentatif des forces de friction et, respectivement, dans un deuxième mode, en fonction du deuxième signal relatif au courant tunnel.
2. Microscope à sonde locale multimode selon la revendication 1 dans lequel lesdits moyens de traitement comportent des moyens de filtrage (23, 24, 33, 34) actifs ou passifs, lesdits moyens de filtrage étant adaptés pour séparer d'une part le premier signal relatif aux forces de friction et d'autre part le deuxième signal relatif au courant tunnel en fonction de leurs fréquences respectives.
3. Microscope à sonde locale multimode selon la revendication 2 dans lequel lesdits moyens de filtrage (23, 24, 33, 34) comprennent un filtre passe-bande (23, 33) adapté pour filtrer spectralement ledit premier signal relatif aux forces de friction et un filtre passe-bas (24, 34) adapté pour filtrer spectralement ledit deuxième signal relatif au courant tunnel.
4. Microscope à sonde locale multimode selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la pointe (4) est formée ou recouverte d'un métal choisi de préférence parmi l'or et l'argent.
5. Microscope à sonde locale multimode selon l'une des revendications 1 à 4 ledit microscope comportant des moyens de balayage de la pointe (4) relativement à la surface de l'échantillon (5).
6. Microscope à sonde locale multimode selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le résonateur à quartz en forme de diapason ayant une première branche (10) et une seconde branche (1 1 ), la première électrode d'entrée (8) étant disposée sur la première branche (10) et la seconde électrode de sortie (9) étant disposée sur la seconde branche (1 1 ).
7. Microscope Raman exalté par pointe comprenant un microscope à sonde locale multimode selon l'une des revendications 1 à 6, ledit microscope Raman comprenant un spectromètre Raman, des moyens de focalisation d'un faisceau laser d'excitation sur l'extrémité de la pointe (4) du microscope, et des moyens de détection d'un signal de diffusion Raman généré par l'échantillon (5) au voisinage de ladite pointe.
8. Microscope Raman exalté par pointe selon la revendication 7, ledit microscope comprenant des moyens de déclenchement de la détection du signal de diffusion Raman et des moyens de synchronisation reliés d'une part aux moyens de déclenchement de la détection et d'autre part aux moyens de régulation de la distance Z entre la pointe et l'échantillon, de manière à synchroniser lesdits moyens de déclenchement de la détection du signal de diffusion Raman et lesdits moyens de régulation lors d'un rapprochement de la pointe à une distance Ζ0 - ΔΖ prédéterminée.
9. Procédé de régulation de la distance Z entre la surface d'un échantillon (5) et l'extrémité de la pointe d'un microscope à sonde locale multimode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le procédé de régulation comporte les étapes suivantes :
o Génération d'une résonance mécanique dans le résonateur (1 ) adaptée pour produire une vibration de l'extrémité de la pointe (4) de sonde locale ; o Rapprochement de la pointe vers la surface d'un échantillon de référence ;
o Détection simultanée d'un premier signal électrique relatif aux forces de friction entre l'extrémité de la pointe (4) et la surface de l'échantillon de référence et d'un deuxième signal relatif à un courant tunnel généré entre l'extrémité de la pointe (4) et la surface de l'échantillon de référence ;
o Détermination, pour ledit échantillon de référence, d'une distance de référence d'apparition d'un courant tunnel de référence, ladite distance de référence correspondant à une distance pour laquelle ledit deuxième signal est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé de courant tunnel pour ledit échantillon de référence ;
o Mesure d'une valeur de référence du premier signal relatif aux forces de friction sur ledit échantillon de référence à ladite distance de référence d'apparition de courant tunnel ;
o Régulation du premier signal relatif aux forces de friction, pour tout type d'échantillon de même nature que l'échantillon de référence, en fonction de ladite valeur de référence du premier signal relatif aux forces de friction sur ledit échantillon de référence à ladite distance de référence d'apparition de courant tunnel.
10. Procédé de régulation selon la revendication 9 dans lequel la distance de référence est supérieure à zéro et inférieure ou égale à 10 nanomètres.
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