Seeing and measuring in colours: Electron microscopy and spectroscopies applied to nano-optics

Over the past ten years, Scanning Transmission Electron Microscopes (STEM) fitted with Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) and/or Cathodoluminescence (CL) spectroscopy have demonstrated to be essential tools for probing the optical properties of nano-objects at sub-wavelength scales. Thanks to the possibility of measuring them at a nanometer scale in parallel to the determination of the structure and morphology of the object of interest, new challenging experimental and theoretical horizons have been unveiled. As regards optical properties of metallic nanoparticles, surface plasmons have been mapped at a scale unimaginable only a few years ago, while the relationship between the energy levels and the size of semiconducting nanostructures a few atomic layers thick could directly be measured. This paper reviews some of these highly stimulating recent developments.

RésuméAu cours des dix années écoulées, les microscopes électroniques à transmission en balayage (STEM) equipés pour la spectroscopie de perte d'énergie d'électrons (EELS) et/ou la cathodoluminescence (CL) ont démontré leur capacité fondamentale pour une étude fine des propriétés optiques de nano-objets à l'échelle sub-longueur d'onde. Comme ils permettent de les mesurer au niveau du nanomètre en même temps que leur structure et morphologie au niveau atomique, de nouveaux champs d'étude aussi bien expérimentaux que théoriques ont ainsi pu être explorés. En ce qui concerne la réponse optique de nanoparticules métalliques, les plasmons de surface ont été cartographiés à une échelle qui aurait été inimaginable il y a encore quelques années, tandis que la relation entre les niveaux d'énergie et la taille de nanostructures semiconductrices épaisses de quelques couches atomiques a pu être directement établie. Cet article a pour but de présenter une revue rapide de quelques-uns des résultats récents les plus spectaculaires dans ce domaine.