Microscopie avancée
Microscopie non linéaire dans les solides
La microscopie optique non linéaire est devenue un outil puissant pour les solides.
Présentation
Qu’est-ce que la microscopie non linéaire dans les solides ?
Les techniques de microscopie optique non linéaire sont devenues des outils puissants pour l’étude des matériaux à l’état solide, permettant une imagerie et une spectroscopie à haute résolution et sans marqueur au-delà des capacités des méthodes linéaires. La microscopie de photoluminescence multiphotonique (MPPL) renseigne sur la dynamique des porteurs, les défauts et la recombinaison via l’excitation non linéaire de la fluorescence. La microscopie par génération de seconde et de troisième harmoniques (SHG, THG) offre un contraste fondé sur la symétrie structurale et les interfaces. Des techniques supplémentaires telles que le mélange à quatre ondes (FWM) permettent d’étudier les interactions électroniques ultra-rapides, tandis que la diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS) et la diffusion Raman stimulée (SRS) sont particulièrement utiles pour imager les vibrations moléculaires dans les matériaux organiques et hybrides, où la composition chimique joue un rôle clé.
Microscopie de photoluminescence
La microscopie de photoluminescence à deux photons repose sur un effet d’optique non linéaire, dans lequel deux photons de plus faible énergie sont absorbés de manière quasi simultanée pour exciter le matériau. Bien que largement utilisée en imagerie biologique pour sa capacité à visualiser les tissus profonds avec un endommagement minimal, son application aux matériaux à l’état solide s’étend également. Dans ce contexte, la microscopie multiphotonique constitue un outil précieux pour l’étude des structures en couches et des hétérojonctions, en fournissant des informations résolues spatialement sur les interfaces enfouies, les états de défaut ou même la dynamique des porteurs de charge.
Microscopie d’harmoniques
La microscopie SHG et THG relève de phénomènes d’optique non linéaire qui permettent une imagerie à haute résolution et sans marqueur de la symétrie cristalline, des interfaces et de la dynamique ultra-rapide dans les matériaux à l’état solide. En SHG, une lumière cohérente de fréquence ω interagit avec un matériau non centrosymétrique, ce qui entraîne l’émission d’une lumière à deux fois la fréquence d’origine (2ω). La microscopie SHG offre une haute résolution axiale et latérale du fait de sa nature cohérente, qui dépend du carré de l’intensité du champ électrique, et ne se produit que dans les matériaux à symétrie d’inversion brisée. En THG, une lumière de fréquence ω produit un signal cohérent à 3ω, typiquement aux interfaces ou dans les régions présentant des variations d’indice de réfraction. Contrairement à la SHG, la THG peut être produite dans les matériaux centrosymétriques comme non centrosymétriques, ce qui la rend plus polyvalente pour un éventail plus large de matériaux 2D. La microscopie SHG et THG est de plus en plus appliquée aux pérovskites, aux matériaux de van der Waals et aux hétérostructures pour étudier les interfaces enfouies, les domaines ferroélectriques, les phases induites par la contrainte, les résonances excitoniques et la dynamique de spin–polarisation.
Exemples rapportés de SHG et de THG
La microscopie SHG a été utilisée pour visualiser des domaines ferroélectriques induits électriquement et des états chiraux présentant un dichroïsme circulaire SHG commutable dans des pérovskites aux halogénures de plomb 2D de type Ruddlesden–Popper, révélant une brisure de symétrie accordable par le champ dans un matériau ferroélectrique achiral. L’imagerie SHG résolue en polarisation a été présentée comme une technique tout optique pour cartographier la contrainte dans une monocouche de WS₂ placée sur des puits cylindriques, avec une sensibilité à la déformation mécanique dans les matériaux 2D. La microscopie THG a été utilisée pour étudier l’anisotropie dans le plan de paillettes ultraminces de sulfure d’étain(II) (SnS), révélant des réponses optiques non linéaires dépendantes de l’orientation ; la THG résolue en polarisation a cartographié la symétrie cristalline et souligné son potentiel pour les applications optoélectroniques.
Microscopie par mélange à quatre ondes
La microscopie FWM est devenue une puissante technique d’imagerie ultra-rapide pour l’étude des excitons et d’autres quasiparticules dans les matériaux à l’état solide. En dirigeant plusieurs impulsions laser femtoseconde sur un échantillon et en détectant le signal cohérent résultant, la microscopie FWM capture des processus rapides avec une haute résolution spatiale. Elle est particulièrement efficace pour l’étude des semi-conducteurs 2D, des hétérostructures et des pérovskites hybrides, où de petites différences locales, telles qu’une contrainte mécanique inhomogène, des défauts ou une liaison faible entre les couches, peuvent modifier de manière significative l’interaction du matériau avec la lumière.
Microscopie Raman
Les techniques de microscopie Raman cohérente telles que CARS et SRS permettent une imagerie chimiquement spécifique et sans marqueur des matériaux à l’état solide avec une résolution submicronique. En exploitant les interactions d’optique non linéaire, elles révèlent les distributions spatiales des modes vibrationnels, ce qui en fait des outils précieux pour l’étude de la pureté de phase, de l’orientation moléculaire et de la dynamique de réseau ultra-rapide dans les systèmes cristallins. La microscopie CARS et SRS a été appliquée aux cristaux organiques, aux pérovskites hybrides et aux produits pharmaceutiques à l’état solide pour visualiser les polymorphes, les structures de domaines et l’hétérogénéité vibrationnelle.
