Opto-mechanical probe for high speed AFM microscopy

Abstract

Dans le domaine de la microscopie, le microscope à force atomique (AFM), inventé en 1986, est aujourd’hui toujours basé sur le même concept de sonde de force : le levier. Les performances de l’AFM, et en particulier sa vitesse d'imagerie, sont principalement limitées par ce levier, dont la fréquence de résonance plafonne à quelques MHz. Ce travail de thèse présente un nouveau concept de sonde AFM, une sonde optomécanique (OM), ainsi que les développements sur l’instrument pour exploiter ses performances. En effet, des sondes OM vibrant à plus de 100 MHz sont développées et exploitées dans ce manuscrit. Elles démontrent une limite de détection thermomécanique remarquable de 4.5x1E-17 m/√Hz à température ambiante, inférieure à celle de toute autre sonde AFM, permettant un fonctionnement avec une amplitude de vibration de 10 pm. Cette sonde OM est constituée d'un anneau de silicium suspendu d'un diamètre de 20 µm, agissant à la fois comme un résonateur mécanique et un résonateur optique à mode de galerie. Les deux sont intimement couplés par la forme de l'anneau : lorsque l'anneau vibre dans un mode de respiration, la longueur de la cavité optique varie et sa longueur d'onde de résonance varie autour de la longueur d’onde centrale de 1,55 µm. De nombreuses variantes de sondes OM sont caractérisées pour trouver la conception optimale, conduisant à un gap de couplage évanescent de 100 nm à 200 nm et une largeur de rayons de suspension inférieure à 100 nm. Grâce à une caractérisation approfondie, un phénomène singulier est également mis en évidence : le super-mode. Deux alternatives pour mettre la sonde en vibration sont comparées : l’actionnement capacitif et optique. L'étude de la stabilité et du bruit de la sonde permet d'identifier une source de bruit supplémentaire en actionnement optique. Ensuite, les sondes OM sont intégrées dans un instrument AFM dont chaque composant est spécialement développé, du scanner piézoélectrique à l'acquisition et au traitement des données. À cause d’un verrou technologique de fabrication, la pointe de la sonde OM n’a pas pu être approchée d’une surface : elle ne dépasse pas du substrat sur lequel la sonde est fabriquée. Un levier AFM classique est donc utilisé pour interagir mécaniquement avec la sonde AFM. La bande passante de l'instrument est alors caractérisée en fonctionnement, démontrant une bande passante de boucle de rétroaction de 100 kHz, à l’état de l’art. Enfin, une première pseudo-image est réalisée avec ces sondes, démontrant le fonctionnement complet de l'instrument.In the field of microscopy, the atomic force microscope (AFM) invented in 1986 was brought little, but nonetheless impressive, incremental developments since then. This instrument’s performances, and in particular imaging speed, are mainly limited by its cantilever-type force probe whose resonance frequency peaks at a few MHz. This thesis work presents a new concept of AFM probe, an optomechanical (OM) one, and custom instrument’s components to exploit its performances. Indeed, the 100+ MHz vibrating OM probes tested in this manuscript demonstrate an exquisite thermomechanical limit of detection of 4.5x1E-17 m/√Hz at room temperature, lower than any other AFM probe detection, and an instrument-limited 10 pm vibration amplitude. This OM probe consists of a suspended silicon ring with a 10 µm radius, acting as a mechanical resonator and a whispering-gallery-mode optical resonator. The two are intimately coupled by the ring shape: when the ring vibrates in a breathing mode, the optical cavity length varies and so does its resonance wavelength around its central value 1.55 µm. Characterization of numerous OM probes with different designs are investigated to find optimal designs, that is a 100 nm to 200 nm evanescent-coupling-gap and spokes width below 100 nm. Through deep characterization, acute phenomenon is also highlighted as the super-mode. Two alternatives to put the probe in vibration are compared: capacitive and optical. Stability and noise study of the probe help identify an additional noise source in optical actuation, that seem to be related to the optical background signal. Each developed component of the AFM instrument is detailed from piezoelectric scanner to data acquisition and processing. Because of a fabrication technological lock, the tip of the OM probe could not approach any surface as it did not protrude from the substrate on which the probe is made. A conventional AFM lever is therefore used to interact mechanically with the AFM probe. The instrument’s bandwidth is then characterized in operation, demonstrating a state-of-the-art 100 kHz feedback-loop bandwidth. Finally, a first pseudo-image is achieved with such probes, demonstrating the whole instrument operation