Détecteur aspectral par rayonnement thermique champ proche pour l'analyse et la caractérisation de nanomatériaux – STORE

Le projet STORE a pour objectif de développer une nouvelle technique de caractérisation de matériaux et de nanostructures basée sur la microscopie à force atomique (AFM) et l’analyse du transfert radiatif en champ proche. Les courbes d’approche AFM thermique, lorsque la pointe chaude est déplacée vers le contact avec l’échantillon, peuvent être réalisées en observant simultanément le flux radiatif en champ proche et la distance pointe-échantillon. Le point clé est que les courbes d'approche radiative en champ proche fournissent une signature des matériaux et des structures situés sous la surface de l'échantillon : le volume sondé dépend de la distance pointe-échantillon. De plus, ces courbes peuvent être réalisées en fonction de la température de la pointe chaude afin de décaler le contenu spectral sondé. La technique STORE sonde donc les caractéristiques spectrales et spatiales des échantillons. L'un des principaux avantages de cette méthode est qu'elle ne nécessite aucun spectromètre infrarouge (FTIR), un appareil souvent très volumineux, pour observer la signature de matériaux ou de nanostructures enfouis sous la surface. Le dispositif final pourrait donc être très compact.

La technique nécessite un étalonnage et une comparaison des données expérimentales avec des calculs numériques précis. En effet, le signal expérimental dépend de la pointe chaude et la convolution de la densité d'énergie locale de l'échantillon au-dessus de sa surface avec la présence de la sonde n'est pas une tâche simple. En conséquence, il est prévu d’améliorer la technique, de la systématiser et de la comparer aux méthodes de spectroscopie infrarouge en champ lointain afin de mettre en évidence les caractéristiques communes et les différences. Le consortium est composé de quatre équipes issues de deux laboratoires, et rassemble des expérimentateurs et théoriciens du transfert radiatif en champ proche et lointain ainsi que des spécialistes des structures photoniques complexes et de leur nano/microfabrication.

L'idée centrale du projet est d'exploiter les courbes d'approche pour remonter à la morphologie et aux matériaux présents dans les échantillons. Pour cela, deux types de données doivent être obtenus. Premièrement, pour une température d’émetteur constante, une courbe d'approche permet d’échantillonner la partie parallèle du vecteur d'onde jusqu'à une valeur maximale associée à la distance minimale pointe-échantillon. Ceci donne accès aux informations sur la morphologie de l'échantillon. Deuxièmement, en mesurant le flux à une distance pointe-échantillon donnée en fonction de la température de l'émetteur, on déplace les longueurs d’onde qui contribuent au signal et récupère ainsi des informations spectrales sur l'échantillon. Réaliser des courbes d'approche pour différentes températures permet d'obtenir les deux données en même temps.

Le développement du capteur nécessite la réalisation de trois objectifs : (i) analyser la résolution des données fournies par les courbes d'approche pour différentes températures dans l'espace (fréquence, vecteur d'onde parallèle) ; (ii) démontrer que les courbes d'approche permettent d'obtenir des informations sur ce qui est enfoui sous la surface de l’échantillon ; (iii) montrer la complémentarité et les différences entre les mesures en champ proche et champ lointain pour la caractérisation des échantillons, en particulier pour les surfaces nanostructurées où les données en champ proche devraient être plus riches. Une tâche clé liée à ces objectifs consiste à concevoir, fabriquer et caractériser des échantillons de propriétés d’émission identiques dans le champ lointain et différentes en champ proche. Pour atteindre ses objectifs, le projet est divisé en quatre tâches: conception et modélisation, nano et microfabrication, développement de configurations expérimentales et caractérisation d'échantillons. Ce projet mènera la technique à un stade TRL où le potentiel de commercialisation peut être évalué.