HREELM : Microscope à haute résolution des pertes d’énergie d’électrons

Gun for a high resolution electron energy loss microscope

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 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).

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