La spectroscopie Raman, une technique de microscopie optique, est une technique d’analyse chimique non destructive qui fournit de riches informations d’empreintes moléculaires sur la structure chimique, la phase, la cristallinité et les interactions moléculaires. La technique repose sur l’interaction de la lumière avec des liaisons chimiques au sein d’un matériau. Cependant, comme la lumière est une onde, les microscopes optiques sont incapables de résoudre des distances inférieures à la moitié de la longueur d’onde de la lumière incidente sur l’échantillon. C’est ce qu’on appelle la « limite de diffraction », qui empêche la spectroscopie Raman et d’autres techniques de microscopie optique d’atteindre des résolutions à l’échelle nanométrique.
Pour améliorer la résolution spatiale, une autre technique appelée « spectroscopie Raman améliorée par la pointe » (TERS) a été inventée, qui peut atteindre des résolutions spatiales inférieures à la limite de diffraction. Dans TERS, une pointe métallique de taille nanométrique confine la lumière dans un volume nanométrique juste au-dessus de l’échantillon. La lumière interagit avec les molécules de l’échantillon sur la surface et l’imagerie est réalisée en analysant la lumière diffusée.
TERS a été utilisé avec succès pour analyser les compositions chimiques et les défauts de surface d’échantillons à des résolutions nanométriques. Cependant, lors de l’imagerie, la nanopointe a tendance à dériver en raison des fluctuations thermiques et vibratoires inévitables dans les conditions ambiantes, ce qui entraîne soit un flou de l’échantillon, soit un désalignement entre la nanopointe et la tache focale, ou les deux. Cela provoque des distorsions considérables dans les signaux diffusés. Pour éviter cela, l’imagerie TERS doit être réalisée dans un délai de 30 minutes, une restriction qui empêche l’imagerie de tout échantillon supérieur à 1 µm2 avec une résolution à l’échelle nanométrique.
Dans une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiques, une équipe de recherche du Japon, dirigée par le Dr Ryo Kato, professeur adjoint désigné à l’Institut de photonique post-LED de l’Université de Tokushima, et le professeur associé Takayuki Umakoshi et le professeur Prabhat Verma de l’Université d’Osaka, a maintenant développé, pour la première temps, un système TERS stable qui n’est pas limité à une courte fenêtre temporelle d’imagerie. L’équipe a démontré sa capacité en imageant avec succès des défauts à l’échelle nanométrique sur une période de 6 heures dans un film de bisulfure de tungstène (WS2) bidimensionnel (WS2) de taille micrométrique, un matériau couramment utilisé dans les dispositifs optoélectroniques. « Notre nouveau système de nano-imagerie optique permet la caractérisation de l’analyse des défauts dans les couches WS2 de grande taille à une résolution de pixel élevée jusqu’à 10 nm sans aucune perte significative de signal optique », explique le Dr Kato.
Pour compenser les dérives sur de longues périodes, l’équipe a développé un système de rétroaction qui suit le déplacement de la source lumineuse focalisée et réajuste la position du plan de mise au point en conséquence. La position focale de la source lumineuse est suivie en mesurant le déplacement d’un faisceau de guidage laser réfléchi dirigé vers le microscope. La mise au point est ensuite stabilisée avec un scanner d’objectif à commande piézo chaque fois que le système détecte une dérive ou un changement de la position focale de la source lumineuse.
Pour stabiliser la nanopointe, l’équipe a conçu un système de compensation de dérive de pointe assisté par balayage laser. Dans ce cas, les galvano-scanners prennent des images de la tache laser autour de la nanopointe métallique juste au moment où elle s’approche de la surface de l’échantillon. Cette image apparaît comme un point lumineux et indique la position de la nanopointe. Une fois la mesure à un pixel particulier effectuée, l’image de la tache laser autour de la nanopointe est à nouveau capturée. La tache laser est ensuite déplacée pour correspondre à la nouvelle position de la nanopointe dans cette image. Le processus se poursuit tout au long du processus d’imagerie, garantissant que la nanopointe reste dans une position constante.
En mettant en œuvre ces corrections, l’équipe a pu imager une feuille 2D de WS2 (voir image ci-dessus) avec une zone de numérisation de 1 × 4 µm2. Avec une fenêtre temporelle d’imagerie 12 fois plus longue que celle de l’imagerie conventionnelle, ils pourraient détecter des défauts uniques manqués dans l’imagerie TER conventionnelle. Ils ont également montré que la densité de défauts sur un échantillon WS2 plus grand (comparable aux échelles de l’appareil) était plus élevée que celle rapportée pour des échantillons plus petits.
L’étude pourrait ouvrir les portes à une imagerie précise et à haute résolution non seulement des dispositifs optoélectroniques, mais également des échantillons biologiques. « Notre nouvelle microscopie TERS à compensation de dérive pourrait non seulement mieux évaluer les propriétés de surface des matériaux des dispositifs, mais aussi nous permettre d’étudier des processus biologiques tels que le mécanisme sous-jacent au développement de maladies. Cela, à son tour, pourrait aider à développer de nouvelles méthodes cliniques et thérapies, » dit le Dr Umakoshi.
Ryo Kato et al, Nanoimagerie optique hyperspectrale améliorée par pointe ultrastable pour l’analyse des défauts des couches WS2 de grande taille, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abo4021. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo4021
Fourni par l’Université de Tokushima