Gun for a high resolution electron energy loss microscope
Schéma de principe du microscope HREELM avec (à gauche) la source d’électrons basée sur une ionisation par laser, (au centre) un ensemble très schématisé d’éléments d’optique pour transporter le faisceau d’électrons jusqu’à la surface et ensuite renvoyer les électrons rétrodiffusés vers un analyseur en énergie possédant aussi des capacités d’imagerie spatiale (à droite).
L’objectif ultime de notre projet est la réalisation d’un prototype d’un nouveau microscope pour les études de surface : un microscope à haute résolution des pertes d’énergie d’électrons (HREELM).
Le projet valorisation vise la validation de la production d’un faisceau d’électrons monochromatique à très basse énergie. Cette validation sera le levier principal pour envisager la construction du prototype HREELM, instrument qui sera une première mondiale. Il permettra d’imager la distribution des états vibrationnels de surface à l’échelle microscopique en combinant une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres et une résolution spectrale du meV. Un second mode d’imagerie (mode diffraction) permettra d’obtenir la cartographie de la dispersion des phonons sur des échelles microscopiques.
L’originalité du HREELM repose sur deux innovations technologiques :
L’utilisation d’une nouvelle source brillante d’électrons très monocinétique permettra de limiter grandement les aberrations géométriques en s’affranchissant de l’utilisation d’un monochromateur et donc d’atteindre les résolutions spatiales et spectroscopiques nécessaires.
L’utilisation d’une optique électronique qui permet de conserver ces performances à travers l’imagerie dans le HREELM. Nous avons conçu celle-ci dans le cadre du projet ANR-DFG bilatéral HREELM. Elle est schématisée dans la partie centrale de la Figure 1, le détail étant publié dans la revue Ultramicroscopy [Mankos2019].
Schéma optique de la source d’électrons monochromatiques. Le laser est en vert et le volume d’ionisation en jaune. Le système de canon permettant d’extraire et de livrer le faisceau monochromatique, l’objet du projet, est sur fond bleu clair. Le détecteur temps de vol et avec une ligne à retard 2D permettra la caractérisation du faisceau.
Le projet permettra la validation de la nouvelle source brillante d’électrons très monocinétique et sa mise en forme selon les contraintes du HREELM. Ces contraintes imposent à la source d’avoir une dispersion en énergie de 5 meV (afin de résoudre les spectres de vibration), une énergie de 0-100 eV qui est l’énergie typique couvrant les besoins d’un LEEM et d’un HREELS, et un courant de l’ordre de 10 pA nécessaire pour enregistrer une image (qui demande typiquement d’avoir un nombre d’électrons issus de la source de ~1010) en un temps de l’ordre de la minute
Le projet a permis des avancées décisives dans la conception d’un tout nouvel instrument de conditionnement et d’analyses de surface à l’échelle nanométrique. Les principes de l’optique électronique du HREELM ont été développés et publiés dans la littérature spécialisée. Notre choix de système de lentilles et les paramètres de fonctionnement, notamment l’énergie des électrons, est un compromis entre la minimisation des aberrations pour répondre aux spécifications et le coût des alimentations électriques stabilisées. Notre choix de source d’électrons, après avoir étudié plusieurs options (2D, 3D MOT,…), s’est tourné vers l’ionisation d’états de Rydberg générés par excitation laser d’un jet d’atomes de Cs. Etant donné la nature pulsée de la source d’électrons nous avons en conséquence opté pour la détection par temps de vol au lieu du plus traditionnel analyseur hémisphérique. Un nouveau type de détecteur 2D-DLD sera nécessaire, le système TimePix4 récemment proposé par le projet MediPix, coordonnée par le CERN, est actuellement à l’étude. Enfin, nous concevons avec un fabricant spécialisé un nouveau manipulateur avec les précisions angulaires et performances nécessaires pour conserver la résolution énergétique et angulaire des électrons à basse énergie. Une demande de brevet sur l’implémentation de la source pulsée dans le HREELM a été déposé en 2019. La conception, les spécifications et les innovations de l’instrument ont bien évolué depuis le début du projet. Elles sont maintenant extrêmement bien précisées, mais de fait elles sont aussi plus exigeantes du point de vue technique. En conséquence nous sommes seulement maintenant au stade de pouvoir envisager la construction du prototype. Nous élaborons actuellement une nouvelle demande de financement pour la construction du prototype complet HREELM qui sera accueilli à l'ISMO dans un laboratoire déjà équipé pour le consortium.
