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Caruso, Giuseppe Mario. Development of a coherent ultrafast transmission electron microscope based on a laser-driven cold field emission source

Caruso, Giuseppe Mario (2019). Development of a coherent ultrafast transmission electron microscope based on a laser-driven cold field emission source.

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Résumé en francais

L'étude de la physique des systèmes à l'échelle nanométrique nécessite idéalement une résolution spatiale atomique et une résolution temporelle de l'ordre de la femtoseconde. La microscopie électronique en transmission ultra-rapide (UTEM), qui combine une résolution temporelle inférieure à la picoseconde et une résolution spatiale nanométrique, est récemment apparue comme un outil unique doté de résolutions spatio-temporelles sans précédent. Cependant, les performances des premiers UTEMs étaient limitées par la brillance des photocathodes utilisées comme source d'électrons ultra-rapide. Dans ce contexte, il a été vite réalisé que les UTEMs utilisant des sources d'électrons déclenchées par laser et basées sur des pointes métalliques comme émetteur, permettraient de dépasser cette limitation. L'objectif de cette thèse est de décrire le développement d'un microscope électronique en transmission ultra-rapide basé sur ce type de source dites " source à émission de champ froide ", pouvant fonctionner en mode continu ou ultra-rapide. L'émission d'électrons d'une nanopointe de tungstène est déclenchée par des impulsions laser femtosecondes, qui sont fortement focalisées par des composants optiques insérés proche de la cathode. La brillance mesurée est la plus grande mesurée à ce jour dans un UTEM. En associant cette nouvelle source de brillance élevée à un système d'injection/cathodoluminescence composé d'un miroir parabolique installé au-dessus du porte-échantillon, l'UTEM peut être utilisé pour réaliser des expériences TEM-pompe-sonde ultra-rapides résolues dans le temps. Les possibilités d'un tel instrument pour l'imagerie ultra-rapide, la diffraction, l'holographie électronique et la spectroscopie sont présentées. Une attention particulière a été accordée aux applications en nano-optique. La spectroscopie électronique de gain d'énergie (EEGS) permet notamment d'étudier les excitations optiques de nano-systèmes à travers les modifications du spectre d'énergie des électrons. La possibilité de synchroniser facilement les impulsions d'électrons libres ultra-courts avec l'excitation optique de l'échantillon dans les UTEM est essentielle pour l'observation d'interactions électron/photon fortement non linéaires. Ces expériences nous ont permis de caractériser les propriétés spectro-temporelles du faisceau d'électrons ultra-courts. La dernière partie propose une discussion des premières expériences d'holographie électronique hors-axe réalisées avec des impulsions électroniques ultra-rapides. En effet, la dose d'électrons dans le plan de l'échantillon étant considérablement réduite en raison du faible taux de répétition du train d'impulsions électronique, les hologrammes ultra-rapides sont obtenus dans des conditions dites " low dose " complexes. En conséquence, les paramètres expérimentaux couramment utilisés pour l'acquisition d'hologrammes avec des TEM conventionnels ne peuvent pas être directement utilisés en mode ultra-rapide. Des études expérimentales ont été réalisées pour déterminer les conditions optimales pour l'holographie électronique hors-axe ultra-rapide. L'influence de la dose, la longueur de cohérence de la source, les conditions d'illumination et les instabilités de l'instrument ont été systématiquement prises en compte.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Arbouet, Arnaud
Houdellier, Florent
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES), UPR 8011
Mots-clés libres :Microscopie électronique en transmission - Nano-optique - Dynamique ultrarapide
Sujets :Physique
Déposé le :12 Feb 2020 14:59