HREELM High resolution electron energy loss microscopy : Vers un spectro-microscope électronique : source, optiques et performances

Combiner nano-structuration de surface, microscopie plein champ et diagnostic spectroscopique : Le but du projet HREELM (High Resolution Electron Energy Loss Microscope) est de combiner une nouvelle source d'électrons hautement monochromatique du Laboratoire Aimé Cotton (LAC) avec les expériences de lithographie chimique contrôlée par électrons de l'Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (ISMO), et avec un microscope électronique spectroscopique plein champ et à haute résolution (Université de Mayence, JGU ; SPEC, CEA). Cette combinaison unique permettra la production et l’utilisation d’un faisceau d'électrons monoénergétiques (~1 meV), de très faible énergie (0-20 eV) et collimaté pour la structuration de surfaces à l'échelle nanométrique et comme outil de diagnostic. Son implémentation sur un nouveau microscope spectroscopique à champ complet, avec une haute résolution spatiale, énergétique, d'impulsion et temporelle (20 nm, peu de meV, 0,003 Å^-1 et 150 ps, respectivement), ouvrira également la voie vers l'imagerie spectroscopique à haute résolution des états vibrationnels de surface (CEA/DRF/IRAMIS/SPEC).

Principal résultat du projet :

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.

Référence :

Design for a high resolution electron energy loss microscope
Marian Mankos, Khashayar Shadman, Raphaël Hahn, Yan J. Picard, Daniel Comparat,Olena Fedchenkoc, Gerd Schönhense, Lionel Amiaud, Anne Lafosse and Nick Barrett, Ultramicroscopy 207 112848 (2019).

Contact CEA : Nick Barrett (SPEC/LENSIS).