Spectroscopie infrarouge par modulation spatiale

Spectroscopie infrarouge par modulation spatiale

Spectroscopie par modulation spatiale dans le visible

Différentes méthodes expérimentales ont vu le jour dans le but de caractériser des nano objets individuels et étudier la façon dont leur morphologie affecte leur réponse spectrale. Ces techniques couvrent essentiellement la gamme spectrale du visible. Notre étude se base sur la spectroscopie par modulation spatiale qui est beaucoup plus f lexible que la spectroscopie couplée avec un microscope à effet tunnel à rayonnement ther mique (TRSTM)carelle ne nécessite pas de pointe de sonde locale, bien qu’elle tire habilement profit elle aussi des avantages offerts par les techniques de démodulation. I

Principe de la technique

La technique de spectroscopie de modulation spatiale a été développée en 2004 par des membres de l’Institut Lumière Matière de Lyon avec l’objectif de caractériser de façon quan titative la section efficace d’extinction de nano-particules métalliques dont le diamètre est de l’ordre de la dizaine de nanomètres [91]. Ces nano-particules sont le siège d’une résonance de plasmon de surface et leurs propriétés d’absorption et de diffusion sont décrites par la théorie de Mie [92].

Dans sa version originale, la technique qu’ils ont mise au point met en jeu une source cohérente de puissance Pinc focalisée à la limite de diffraction par un objectif de microscope sur un échantillon constitué d’un substrat transparent sur lequel sont déposées des nano-particules métalliques suffisamment diluées pour ne sonder qu’une seule nano-particule à la fois. Un schéma de principe du montage est représenté en figure III.1.

Considérons une nano particule située en (x0,y0) recevant une illumination à incidence normale via un objectif de microscope. Une partie de la lumière incidente interagit avec la nano-particule soit par processus d’absorption soit par diffusion. Après le passage de la lumière incidente ayant interagi ou non avec la nano-particule par un second objectif de microscope collimatant le faisceau, la puissance transmise Ptrans est ensuite collectée par un photomultiplicateur.

La faible variation de puissance ∆P causée par la présence de la nano-particule dans le faisceau est reliée à sa section efficace d’extinction par la relation σext eff : ∆P =Ptrans −Pinc = −σext eff I(x0, y0) avec I l’intensité lumineuse à la position (x0,y0) de la nano-particule. (III.1) La puissance incidente étant largement dominante, la variation de puissance induite est trop infime pour pouvoir être perçue directement.

Pour pallier cette difficulté, une platine piézo électrique fait osciller sinusoïdalement dans le plan objet la position de la nano-particule à la fréquence f et l’amplitude δx, la faisant traverser par intermittence le faisceau lumineux qui l’illumine, tel que la position de la nano-particule en fonction du temps s’écrit x(t) = x0 + δx 2 sin(2πft). Cette modulation spatiale est à l’origine d’une modulation de la puissance transmise.

Pour une amplitude de modulation inférieure à la largeur du faisceau lumineux, un développement de Taylor permet d’écrire : ∆P ≃σext eff I(x0, y0) + σext eff δx 2 ∂I ∂x(x0,y0) sin(2πft) + σext eff 2 δx 2 2 ∂2I ∂x2 (x0,y0) 1 −cos(4πft) 2 +… (III.2)

Une détection synchrone permet d’extraire les composantes modulées du signal en élimi nant le fond environnant. Le signal démodulé est l’image de la variation de puissance transmise qui est elle-même proportionnelle à la section efficace d’extinction de la nano-particule sondée. Laconnaissance exacte du profil gaussien du faisceau lumineux dans le plan de l’échantillon ainsi

que la précision de détection permettent dans ce cas d’établir une calibration des mesures pour faire le lien avec la section efficace d’extinction absolue. Une section efficace d’extinction de 53 nm2 a pu être mesurée par cette technique sur des nano-particules d’or illuminées à la longueur d’onde λ = 532 nm [91]