Optomechanical probe for high-speed AFM

Sonde optomécanique pour la microscopie AFM rapide

Lucien Schwab (1)

1 LAAS-MEMS - Équipe Microsystèmes électromécaniques

In the field of microscopy, the Atomic Force Microscope (AFM) is one of the few that can see atoms. It works like a blind man using his cane to probe his environment, but on a micrometric scale: a tip with a few atoms at its end is scanned over a sample to characterize it. Invented in 1986, the AFM has only known incremental developments as it still uses the same type of tip: cantilevers (i.e. vibrating levers). This thesis presents a new type of AFM tip, an optomechanical (OM) probe, and developments on the instrument to exploit its performance. Indeed, the OM probes tested in this thesis operate at frequencies greater than 100 MHz and show a remarkable detection limit of 4.5×10-17m.Hz-0.5, lower than for any other AFM probe. It consists of a suspended silicon ring with a radius of 10 µm, acting as a mechanical and optical gallery mode resonator. Finally, a first AFM image is realized with an OM probe.

Dans le domaine de la microscopie, le microscope à force atomique (AFM) est un des seuls qui permet de voir des atomes. Il fonctionne comme un aveugle utilise sa canne pour sonder son environnement, mais à l’échelle micrométrique : une pointe dont l'extrémité est composée de quelques atomes est balayée sur un échantillon pour le caractériser. Inventé en 1986, l’AFM a connu depuis des développements incrémentaux car utilisant toujours le même type de pointe : les leviers vibrants. Cette thèse présente un nouveau type de pointe AFM : une sonde optomécanique (OM). Sont aussi présentés les développements sur l’instrument pour exploiter les performances de cette nouvelle sonde. En effet, les sondes OM caractérisées dans cette thèse fonctionnent à plus de 100 MHz et démontrent une limite de détection remarquable de 4.5×10-17m.Hz-0.5, plus basse que toute autre sonde AFM. La s! onde OM est constituée d'un anneau de silicium suspendu d'un rayon de 10 µm, agissant comme un résonateur mécanique et optique à mode de galerie. Enfin, une première image AFM est réalisée avec une sonde OM.

Mots clés: Optomechanical cavities; atomic force microscopy; vibrating microsystems; microresonators; instrumentation

Mots clés: Cavités optomécaniques; microscopie à force atomique; microsystèmes vibrants; microrésonateurs; instrumentation

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Lucien Schwab. Optomechanical probe for high-speed AFM. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Institut national des sciences appliquées de Toulouse, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03030399v1⟩