Brevet FR2726917A1 — publié le 19960515

PLATE-FORME UNIVERSELLE POUR MICROSCOPE La présente invention concerne une plate-forme universelle permettant d'effectuer des mesures optiques et simultanément des mesures utilisant soit un microscope à force atomique dit A.F.M. (Atomic Force Microscope), soit un microscope à effet tunnel dit S.T.M. (Scanning Tunneling Microscope), soit un microscope à effet tunnel photonique dit microscope P.S.T.M. (Photon Scanning Tunneling Microscope), soit un microscope à réflexion dit microscope R.S.M. (Reflection Scanning Microscope). Il est rappelé tout d'abord qu'un microscope A.F.M. mesure la force qui s'exerce en champ proche entre un échantillon et une pointe, qu'un microscope S.T.M. mesure le courant qui passe entre une pointe et un échantillon placé au voisinage proche, qu'un microscope P.S.T.M. mesure, au moyen d'une fibre optique, le champ évanescent émis par un échantillon éclairé en réflexion totale à travers un prisme et qu'enfin, un microscope R.S.M. éclaire un échantillon et mesure, au moyen d'une fibre optique, la lumière réfléchie par ledit échantillon. Dans les quatre cas, on vient balayer un échantillon avec une pointe qui restitue en retour un signal que l'on traite grâce à une électronique qui peut être commune aux quatre types de microscopes. Cette dernière caractéristique permet d'utiliser indifféremment un microscope de type A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M. dans le cadre d'une même installation. D'autre part, il est intéressant de pouvoir effectuer en même temps, une mesure de spectroscopie en réflexion totale interne avec une mesure réalisée avec un quelconque des quatre types de microscopes cités cidessus. Cette mesure en réflexion totale interne consiste à éclairer, en réflexion totale interne, à travers un prisme, un échantillon placé sur la surface supérieure dudit prisme et à faire varier soit la longueur d'onde de la lumière incidente, soit l'angle d'incidence. On mesure alors le spectre de réflexion qui présente des variations d'intensité caractéristiques de la nature de l'échantillon étudié. Or, ces variations d'intensité sont modifiées par une mesure réalisée avec un microscope de type A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M.. C'est cette inter-dépendance qu'il est particulièrement intéressant d'étudier.De plus, il est utile de pouvoir observer simultanément à ces mesures la position du spot incident sur la surface de l'échantillon à travers un microscope optique classique. C'est cette combinaison de mesures de natures différentes et en partie simultanées que permet de réaliser la plateforme selon l'invention. A cet effet, l'invention concerne une plate-forme universelle pour observations microscopiques caractérisée en ce qu'elle présente des moyens aptes à effectuer simultanément, ou non, sur le même échantillon, par dessous une mesure de spectroscopie par réflexion totale interne et une mesure effectuée avec un microscope optique inversé et par dessus une mesure réalisée indifféremment avec un microscope de type A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M.. Cette plate-forme permet donc, de façon simple, de réaliser d'une part, une spectroscopie par réflexion totale interne par éclairage de l'échantillon à travers un prisme sur lequel il est posé, d'autre part, d'observer en même temps le positionnement du spot à travers un microscope optique inversé placé sous le prisme, et enfin, d'effectuer simultanément une mesure par le dessus, à l'aide d'un microscope A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M.. Le passage d'un type à l'autre de ces microscopes est rapide et simple et ne nécessite aucune adaptation particulière autre que la connexion et les réglages du nouveau microscope à l'électronique associée. De plus, selon une caractéristique particulièrement avantageuse, la plate-forme selon l'invention permet d'effectuer la mesure de spectroscopie en réflexion totale interne et une mesure réalisée avec un microscope P.S.T.M. à partir d'une même source lumineuse unique et fixe connectée à ladite plate-forme. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une plate-forme selon l'invention, dans le cadre de l'installation à laquelle elle est destinée, - la figure 2 est une vue schématique en plan de l'équipage optique réalisant l'éclairage de l'échantillon dans la plate-forme selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. La plate-forme 1 selon l'invention, représentée sur la figure 1, est constituée d'une embase 2 sur laquelle vient se monter un dispositif de positionnement 3 du type dispositif de positionnement XY. Celui-ci permet de positionner dans le plan horizontal, l'équipage optique 4 représenté sur la figure 2. Ce dernier est constitué principalement d'un tube 5 solidaire à son extrémité proximale d'un tambour de réglage angulaire 6 et à son extrémité distale, d'un prisme d'injection 7 à réflexion totale La source lumineuse 8, préférentiellement obtenue à partir d'une diode laser amovible est connectée à l'équipage optique 4 par l'extrémité proximale de ce dernier. Le rayon lumineux 9 issu de la source lumineuse 8 traverse l'équipage optique 4 à travers le tube 5. Selon une variante particulière de l'invention, cette traversée peut s'effectuer à travers une fibre optique 10 s'étendant longitudinalement selon l'axe du tube 5. Celui-ci comporte, dans le cas où la source lumineuse 8 en est dépourvue, une lentille de focalisation 11 disposée perpendiculairement au chemin du rayon lumineux 9. On appellera ci-après axe 12 de l'équipage optique 4 l'axe commun au tube 5, au tambour de réglage angulaire 6, à la source lumineuse 8, et le cas échéant, à la fibre optique 10 et à la lentille de focalisation 11. Après focalisation, le rayon lumineux 9 pénètre dans le prisme d'injection 7 perpendiculairement à sa face d'entrée. Ce prisme d'injection 7 est en forme générale de "L".La branche proximale du "L" est perpendiculaire à l'axe 12 de l'équipage optique 4 et biseautée à 450 en ses deux extrémités, perpendiculairement à la bissectrice de l'angle du "L"; cette première branche du prisme d'injection 7 sera, par la suite, dénommée branche transversale 13 La deuxième branche du "L", dénommée branche longitudinale 14, est parallèle à l'axe 12 de l'équipage optique 4 et présente la forme d'un trapèze rectangle dont l'angle non droit est à 450, la grande base du trapèze étant plus proche de l'axe 12 que la petite base, et la face 14a correspondant à la hauteur du trapèze étant accolée à la branche transversale 13. Ce prisme d'injection 7 présente un plan de symétrie passant par l'axe 12.Il peut être réalisé en une pièce, mais selon une construction particulière de l'invention, il est composé d'un prisme rhomboédrique à réflexion totale constituant la branche transversale 13 du "L" et d'un prisme trapèze rectangle constituant la branche longitudinale 14 fixée audit prisme rhomboédrique. Bien entendu, cette fixation sera réalisée avec des moyens bien connus de l'homme du métier. Il peut s'agir, par exemple d'une colle de même indice optique que celui du verre constituant les prismes rhomboédrique et trapèze. Il est bien clair que toute association de prismes à réflexion totale, de formes élémentaires, telles que des prismes en forme de trapèze rectangle et de triangle isocèle, qui respecterait la géométrie globale du prisme d'injection 7 conviendrait également et ne sortirait pas du cadre de l'invention. De même, il est bien clair que tout système de miroirs réalisant les mêmes fonctions de guidage optique que celles décrites ci-dessus ne sortirait pas du cadre de l'invention Après avoir pénétré dans la branche transversale 13 parallèlement à l'axe 12 de l'équipage optique 4, le rayon lumineux 9 est réfléchi à l'intérieur de la branche transversale 13 par sa première extrémité 13a en biseau perpendiculairement à l'axe 12.Après avoir parcouru la longueur de la branche transversale 13, le rayon lumineux 9 est à nouveau réfléchi, cette fois par la seconde extrémité 13b en biseau de la branche 13 qui est la plus éloignée de l'axe 12. Cette réflexion positionne le rayon lumineux 9 à nouveau parallèle à l'axe 12. I1 se propage alors, parallèlement à l'axe 12, hors de la branche transversale 13 et pénètre dans la branche longitudinale 14 qu'il traverse jusqu'à venir se réfléchir sur la face à 450 14b du trapèze rectangle formant la branche longitudinale 14.Le rayon lumineux 9 quitte alors ladite branche 14 et, par là-même le prisme d'injection 7 perpendiculairement à l'axe 12 vers lequel il converge. I1 pénètre alors dans le prisme support d'échantillon 15 de forme hémicylindrique et ayant pour axe longitudinal l'axe 12 de l'équipage optique 4, par la paroi cylindrique 16 dudit prisme 15. Celui-ci est mobile en translation dans le plan horizontal avec l'équipage optique 4 grâce au dispositif de positionnement 3. Le rayon lumineux 9 se réfléchit ensuite sur la surface interne de la face plane 17 dudit prisme 15, sur laquelle est disposé un échantillon 18. L'équipage optique 4 est monté à rotation sur le palier 19 de telle manière qu'il puisse tourner autour de son axe 12 par l'intermédiaire du tambour de réglage angulaire 6.Le palier 19 est fixe par rapport au prisme support d'échantillon 15 et par conséquent mobile avec ce dernier dans le plan horizontal grâce au dispositif de positionnement 3. Cette liberté en rotation permet ainsi au rayon lumineux 9 de venir éclairer la face plane 17 du prisme support d'échantillon 15 selon un angle incident a quelconque. Il est bien clair que le rayon lumineux 9 peut ainsi balayer tout le secteur angulaire constituant le demi-cylindre du prisme 15, et ce, à partir d'une source lumineuse 8 unique et immobile par rapport audit prisme 15, et dont l'axe optique coïncide avec l'axe 12 de l'équipage optique 4. De plus, l'équipage optique 4 est monté à translation sur le palier 19 de telle manière qu'il puisse glisser le long de son axe 12 permettant ainsi au rayon lumineux 9 de venir éclairer l'échantillon 18 en une position quelconque selon ledit axe 12.Le mouvement de translation pourra être bloqué grace à des vis prévues sur le palier 19 ou bien réalisé à l'aide d'un dispositif micrométrique axial. Ces caractéristiques sont particulièrement avantageuses car elles permettent d'utiliser des sources laser ou équivalent, trop volumineuses pour être déplacées facilement, le déplacement du rayon lumineux 9 étant désormais assuré par l'intermédiaire de l'équipage optique 4. On peut ainsi réaliser des spectroscopies par réflexion totale interne; le rayon lumineux 9 pénètre le prisme support d'échantillon 15 à travers sa paroi cylindrique 16 et vient se réfléchir sur la surface interne de la face plane 17 dudit prisme 15 supportant l'échantillon 18. On sait bien que la spectroscopie par réflexion totale interne consiste à mesurer le spectre de réflexion du rayon lumineux 9, spectre qui présente des variations d'intensité, caractéristiques de la nature de l'échantillon 18 étudié.Or, pour réaliser cette spectroscopie, on peut faire varier la longueur d'onde de la lumière incidente, mais on peut également faire varier l'angle d'incidence a, ce qui, avec la plate-forme 1 conforme à l'invention s'avère d'une remarquable simplicité. La plate-forme 1, selon une caractéristique complémentaire de l'invention, présente à la surface supérieure de son embase 2 plusieurs jeux d'empreintes 20 dont les entraxes correspondent respectivement aux entraxes des pieds à vis des différents types de microscopes A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. et R.S.M. actuellement disponibles sur le marché. On peut ainsi réaliser en même temps qu'une spectroscopie par réflexion totale interne, une mesure avec un microscope de type A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M. réalisée par le dessus de la plate-forme 1. I1 suffit pour cela de positionner le microscope 21 grâce à ses pieds 22 dans les empreintes 20 qui lui sont réservées, le positionnement horizontal de l'échantillon 18 par rapport au microscope 21 étant réalisé grâce au dispositif de positionnement 3 et le positionnement axial du rayon lumineux 9 sur l'échantillon 18 étant réalisé par translation de l'équipage optique 4 par rapport au palier 19 selon l'axe 12.Comme on l'a déjà évoqué plus haut, une observation réalisée avec un microscope de type A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M. sur l'échantillon 18 va modifier le spectre de réflexion du rayon lumineux 9 en réflexion totale sur la face plane 17 du prisme support d'échantillon 15 . C'est cette interdépendance entre les deux modes d'observations que la plate-forme 1 selon l'invention va permettre d'étudier de façon particulièrement simple et pratique, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent. De plus, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, on peut réaliser une spectroscopie par réflexion totale interne et une mesure avec un microscope 21 du type P.S.T.M. à partir de la même et unique source lumineuse 8.En effet, la réflexion totale du rayon lumineux 9 sur la surface plane 17 du prisme support d'échantillon 15 va créer une onde évanescente à la surface de l'échantillon 18. C'est cette onde évanescente que la pointe du microscope P.S.T.M. va venir frustrer pour réaliser une mesure. On va donc utiliser la même source lumineuse 8 pour réaliser à la fois une observation avec un microscope du type P.S.T.M. et une spectroscopie par réflexion totale interne. Enfin, selon une variante particulière de l'invention, dans laquelle le prisme support d'échantillon 15 est tronqué sur sa paroi cylindrique 16 représentée sur la figure 3, la plate-forme 1 selon l'invention permet l'utilisation d'un microscope optique inversé 23, représenté sur les figures 1 et 3, simultanément à l'utilisation du microscope 21 de type A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M. et à la réalisation d'une spectroscopie. Cette disposition est particulièrement intéressante dans le cas d'une spectroscopie par fluorescence. En effet, si l'échantillon 18 disposé sur le prisme support d'échantillon 15 est fluorescent, l'interaction de la pointe du microscope 21 avec l'échantillon 18 peut créer un déplacement du pic de fluorescence, qui récupéré par l'objectif du microscope optique inversé 23, puis analysé par un spectroscope, permettrait d'effectuer une spectroscopie locale de l'échantillon 18 influencé par la présence de la pointe. Le microscope optique inversé 23 permet également, de façon plus classique, l'observation et le positionnement du spot 24 du rayon lumineux 9 sur la face plane 17 du prisme support d'échantillon 15 REVENDICATIONS 1 - Plate-forme (1) universelle pour observations microscopiques caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens aptes à effectuer simultanément, ou non, sur le même échantillon R.S.N. (21). 2 - Plate-forme (1) universelle selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un prisme support d'échantillon (15), de forme hémicylindrique, dont l'axe longitudinal est confondu avec l'axe (12) d'une source lumineuse (8) connectée à l'entrée de la plate-forme (1), l'échantillon (18) reposant sur la face plane (17) du prisme support d'échantillon (15). 3 - Plate-forme (1) universelle selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle comprend un équipage optique (4) conçu pour permettre l'injection radiale du rayon lumineux (9) issu de ladite source (8) sur la paroi cylindrique (16) du prisme support d'échantillon(l5), selon un angle (a) quelconque autour de l'axe (12) dudit prisme (15) et perpendiculairement audit axe (12) 4 - Plate-forme (1) universelle selon la revendication précédente caractérisée en ce que l'équipage optique (4) comprend un prisme d'injection (7) à réflexion totale en forme générale de "L", la branche proximale du "L", à savoir la branche transversale (13) étant perpendiculaire à l'axe (12) de l'équipage optique (4) et biseautée à 450 en ses deux extrémités (13a,13b), perpendiculairement à la bissectrice de l'angle du "L", la seconde branche du "L", à savoir la branche longitudinale (14), étant parallèle audit axe (12) et présentant la forme d'un trapèze rectangle dont l'angle non droit est à 450, la grande base du trapèze étant plus proche de l'axe (12) que la petite base, et la face (14a) correspondant à la hauteur du trapèze étant accolée à la branche transversale (13), ledit prisme d'injection (7) présentant un plan de symétrie passant par ledit axe (12). 5 - Plate-forme (1) universelle selon la revendication précédente caractérisée en ce que ledit prisme d'injection (7) à réflexion totale peut être constitué par assemblage de prismes élémentaires, fixés entre eux par des moyens assurant la continuité de l'indice optique sur toute la longueur dudit prisme (7). 6 - Plate-forme (1) universelle selon la revendication précédente caractérisée en ce que l'équipage optique (4) comprend, pour le positionnement angulaire et longitudinal du prisme d'injection (7), un tube (5) monté à rotation et à translation dans un palier (19) ayant pour axe l'axe (12), ledit tube (5) étant solidaire à une extrémité dudit prisme (7) et muni à l'autre extrémité d'un tambour (6) de réglage angulaire. 7 - Plate-forme (1) universelle selon la revendication précédente caractérisée en ce que le tube (5) possède une lentille de focalisation (11) permettant de focaliser le rayon lumineux (9) issu de la source lumineuse (8) sur le prisme d'injection (7). 8 - Plate-forme (1) universelle selon la revendication précédente caractérisée en ce que le palier (19) et le prisme support d'échantillon (15) sont fixés sur un cadre mobile dans le plan horizontal par rapport à une embase (2) grâce à un dispositif de positionnement 3 du type dispositif de positionnement XY. 9 - Plate-forme (1) universelle selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la surface supérieure de l'embase (2) présente des empreintes (20) aptes à recevoir les pieds de différents types de microscopes A.F.M., S.T.M., P.S.T.M. ou R.S.M. (21). 10 - Plate-forme (1) universelle selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la paroi cylindrique (16) du prisme support d'échantillon (15) est tronquée parallèlement à la face plane (17) dudit prisme (15) pour faciliter l'observation avec un microscope optique inversé (23)