Le développement de la microscopie à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM), et ensuite de la microscopie à force atomique (Atomic Force Microscopy, AFM), dans les années 80 a représenté la percée la plus significative des nanosciences, sinon leur vrai point de départ. Depuis 1991, la microscopie de force AFM a été exploitée avec succès pour l'étude du monde biologique. La polyvalence de l'instrument a permis l'étude de différents objets biologiques de la protéine isolée aux tissus de cellules dans leur environnement de survie. Récemment, un intérêt croissant est né pour une transition de sondes locales micrométriques vers des sondes nanométriques pour augmenter les taux d'acquisition de données, améliorer la résolution de détection en force et ouvrir la voie à des caractérisations à très haute vitesse. Certaines de ces problématiques de vitesse ont été partiellement résolues avec l'arrivée d'un certain nombre de prototypes de microscope AFM "Ultra-Rapides", mais au détriment d'un faible nombre de pixels et d'une excursion spatiale limitée (< 1 micron) du scanner de balayage. De plus, ces techniques nécessitent l'utilisation de microleviers AFM plus petits que la dizaine de microns pour conserver une haute sensibilité de détection en force avec de hautes fréquences de fonctionnement de l'ordre du megaHertz ou plus. Ainsi, la détection optique conventionnelle par faisceau arrive aujourd'hui à ses limites pour implémenter des sondes dont les dimensions ne sont que de l'ordre de quelques longueurs d'onde. De nouvelles méthodes de détection du mouvement de la sonde AFM, ou même de nouveaux types de sondes AFM doivent donc être mis en œuvre et optimisés pour la prochaine génération d'instruments à sonde locale. Dans ce contexte, un panorama de travaux apportant des réponses à ces nouvelles problématiques de caractérisation, de manipulation, et de fabrication aux échelles micro- et nanométriques aux moyens de nouveaux instruments à sondes locales sera exposé dans ce manuscrit.

Un des problèmes majeurs et non encore résolu en microscopie optique champ proche est le choix de l'émetteur ou du capteur optimal. Parmi les techniques développées, l'utilisation de sondes métalliques a conduit aux résolutions les plus élevées. L'inconvénient de ces nano-sondes réalisées à partir de fil métallique, est leur opacité. Une solution hybride combinant un milieu transparent et une couche métallique, par exemple une fibre optique taillée en pointe et métallisée, présente l'intérêt à la fois du guidage de la lumière et de l'existence d'un certain confinement du champ lumineux. Toutefois ces nano-sondes, largement utilisées, présentent de nombreux inconvénients dont le principal est la faible quantité de lumière transmise ou captée. L'introduction du concept de pointe fonctionnalisée est envisagée dans ce travail afin de remédier à cette carence, en optimisant par segmentation adéquate de la couche métallique, le transfert électromagnétique de ou vers la pointe. Il s'agit ni plus ni moins de la transposition dans le domaine optique du principe de l'antenne segmentée. Ce travail constitue le début d'un vaste sujet de recherche portant sur la fonctionnalisation des sondes destinées à la microscopie champ proche. Nous avons réalisé dans cette étude le cas d'un anneau métallique nanométrique suivant deux approches, théorique et expérimentale, menées en parallèle. Pour l'approche théorique, nous nous sommes appuyés sur des simulations numériques à partir d'un code de calcul commercial basé sur des différences finies spatio-temporelles FDTD, et sur une approche analytique modale d'un cylindre métallique infini. Pour la partie expérimentale, nous avons mis en place des procédés de fabrication d'anneaux nanométriques assistée par lithographie électronique classique et nous proposons un procédé original qui combine la lithographie électronique et une attaque ionique argon, afin de surmonter les limites de résolution imposées par les performances de nos appareillages (MEB). Toutes ces techniques ont été réalisées au sein de la centrale de technologie MIMENTO de l'Institut FEMTO-ST.

L'utilisation de la microscopie de champ proche optique SNOM reste très limitée dû aux difficultés de mise en œuvre instrumentale. La sonde de champ proche est le cœur du microscope et la maîtrise de son utilisation (suppression d'un certain nombre de réglages optiques) constitue la clé technique de l'accès de cette méthode à un plus grand nombre d'utilisateurs. Ces travaux de thèse s'effectuent dans le contexte d'un projet qui consiste à réaliser la preuve de concept d'une sonde novatrice en matériau hybride organique/minéral, de type levier, intégrant une fonction optique. Dans la première partie, une étude bibliographique retrace l'historique des microscopies et donne le principe du champ proche optique. Ensuite, les différentes sondes commerciales de type fibre optique ou cantilever, à ouverture ou sans ouverture, ou autre, leurs avantages et inconvénients, leurs techniques de fabrication et les principaux matériaux utilisés sont présentés. En se basant sur cette étude bibliographique, on propose une nouvelle sonde à pointe pleine en matériau hybride qui associe les avantages de chaque type de sonde. Les raisons du choix du matériau hybride comme matériau de base de la sonde et ses caractéristiques sont aussi présentées dans cette partie. Dans une deuxième partie on détaille le procédé de fabrication du matériau (synthèse) ainsi que le rôle des différentes étapes dans ce procédé et les changements réalisées suite à des modifications des paramètres de la synthèse. Une caractérisation de ce matériau est aussi réalisée dans cette partie en mesurant son indice de réfraction et son module d'Young. La troisième partie est consacrée à la détermination des dimensions de la sonde qui permettent de maximiser le transfert de puissance optique en émission et réception. Ceci est fait en se basant sur une étude plus théorique au travers de simulations. L'effet de plusieurs paramètres sur la propagation de la lumière dans la sonde est étudié (longueur, largeur, épaisseur et raideur du levier ainsi qu'ouverture à l'extrémité de la pointe). La quatrième partie est dédié à la réalisation des sondes "micropoutres sol-gel" et aux caractérisations mécaniques et optiques associées. Elle présente le procédé de fabrication optimisé de sondes optiques couplant la définition des sondes par méthode de masquage et leur libération par gravure réactive ionique et gravure au fluorure de xénon "DRIE + XeF2". A partir de ce procédé, des guides d'ondes optiques ont été réalisés et caractérisés permettant la détermination des pertes optiques et donc du coefficient d'absorption du matériau hybride développé. La conclusion présente les perspectives ouvertes et en cours de ce travail dans le cadre d'un projet plus global. . / .The use of near-field optical microscopy SNOM is still very limited due to difficulties in instrumental work. The probe is the heart of the microscope and control its use (removal of optical settings number) is the technique key to access this method to a larger number of users. This thesis work is realized in the context of a project to achieve a concept proof for an innovative probe organic / inorganic hybrid material, lever type, incorporating an optical function. In the first part, the history of microscopy and the principle of the optical near field are described in a literature study. Then, the various commercial probes of optical fiber or cantilever type, with aperture or apertureless, or otherwise, their advantages and disadvantages, their manufacturing techniques and the main materials used are presented. Based on this literature study, we propose a new probe full tip hybrid material that combines the advantages of each type of probe. The choice reasons of the hybrid material as base material of the probe and its characteristics are also presented in this part. In the second part we detail the manufacturing process of the material (synthesis) as well as each step role in this process and changes made in response to changes in the synthesis parameters. Characterization of this material is also carried out in this part by measuring its refractive index and its Young's modulus. The third part is devoted to the determination of the probe dimensions to maximize the optical transmission and collection power based on a theoretical study through simulations. Several parameters effect on the light propagation in the probe is also studied (length, width, thickness and stiffness of the lever and aperture towards the end of the tip). The fourth part is dedicated to the probe achievement in hybrid material and associated mechanical and optical characterizations. It presents the manufacturing optimized process of optical probes coupling masking defining method probes and releasing method by reactive ion etching and etching xenon fluoride "DRIE + XeF2". Using this process, optical waveguides were realized and characterized for the determination of optical losses and therefore the absorption coefficient of the developed hybrid material. The conclusion presents open perspectives as part of a larger project.

Afin de répondre à des besoins croissants en nano-caractérisation, nous avons développé une plateforme multifonctionnelle combinant des techniques de microscopie optique et de microscopies en champ proche.Au coeur de ce dispositif se trouve l'échantillon. Ceux optiquement semi-transparents en exploiteront au mieux la palette des techniques implémentées. Parmi eux des couches minces (100nm), nanostructurées, de matériaux organiques photovoltaïques.La plateforme permet d'utiliser différentes techniques de microscopies à sonde locale (AFM1, KPFM2, SNOM3, ...) couplées à un microscope optique inversé qui autorise illumination ou imagerie. Versatile, elle peut accueillir des portes-échantillons d'autres techniques développées ou présentes au laboratoire (en particulier les microscopies électroniques à projection, à transmission ou à balayage). Elle est également conçue pour faciliter l'intégration d'autres techniques.Outre le développement de la plateforme, ce manuscrit montre la part importante du travail effectuée pour mettre au point et exploiter une microscopie à sonde de Kelvin (KPFM) à haute résolution sous illumination.Des résultats obtenus sur des matériaux organiques photovoltaïques permettent notamment d'illustrer les excellentes performances de notre plateforme de nano-caractérisation et des techniques associées. / To address the increasing demand on nanomaterials investigation, we developed a cross-characterization platform combining scanning probe microscopies (AFM 1, KPFM 2, SNOM 3, ...) and inverted optical microscopy. The inverted optical microscope, allowing both illumination and imaging, is augmented with near field microscopies such as cited above.The heart of our setup is the sample. Optically semi-transparent samples will best benefit the range of implemented complementary technics, among these samples, nanostructured organic photovoltaic thin (100nm) films. However, the flexible platform is thought to be adaptable to other samples and thus sample-holders used for other characterization techniques existing in the Institute, such as scanning or transmission electron or projection microscopies. The platform is also designed to simplify future extension to other experimental technics.Beyond the platform itself, the manuscript shows the important effort devoted to develop, and take benefit of, a Kelvin probe microscopy under illumination.Results obtained on organic photovoltaic materials demonstrate the possibilities of our original setup and prove its performance to be at state of the art.