Les sources d’électrons sont des dispositifs indispensables pour de nombreux domaines, de la biochimie à l’aérospatiale. L’une des sources électroniques des plus élémentaires consiste en un fil métallique parcouru par un courant électrique. Suite aux pertes résistives (pertes ohmiques), la température du fil augmente rapidement; les électrons, responsables de la conduction électrique, adoptent un comportement fortement agité et sont susceptibles d’être émis à l‘extérieure du solide, il s’agit de l’effet thermoïonique (effet thermoélectronique Richardson – Dushman 1911, Murphy – Good 1956). Ce type de dispositif, héritier des lampes à incandescence, a fait le bonheur de l’électronique à lampes du siècle dernier, notamment en termes d’amplification du signal. Il demeure encore d’actualité pour les amplifications audiophiles, la gestion des fortes puissances et celle des hyperfréquences. D’un point de vue physique, le gaz d’électrons libres d’un solide métallique est confiné au sein de celui -ci par action d’une barrière de potentiel, appelée travail de sortie. Ce travail de sortie correspond à l’énergie minimale à communiquer à un électron pour qu’il puisse quitter irrémédiablement le voisinage du solide. La mise au point d’une source d’électrons consiste donc à identifier un phénomène physique susceptible d’apporter à un électron une quantité d’énergie équivalente au travail de sortie du matériau, quelques eV tout au plus (1 eV = 1.602 10-19 J). Dans l’effet thermoïonique, le gain d’énergie est apporté par agitation thermique. Une voie alternative consiste en l’émission d’électrons par absorption de photons d’énergie supérieure au travail de sortie, il s’agit de l’effet photoélectrique linéaire (Einstein 1905). Au sein de la famille des sources d’électrons photoélectriques, les sources d’électrons bâties sur l’absorption d’impulsions laser intenses et ultrabrèves (150 fs, 1 fs = 1 femtoseconde = 1.10-15 seconde), sont des dispositifs d’émission électronique de premier plan. Un effet collatéral des caractéristiques d’émission électronique extrême tient en l’endommagement de la surface source par un effet autoentretenu au-delà d’un éclairement seuil critique, le claquage diélectrique, dont la résultante est la destruction du dispositif. Ce travail a pour objet l’étude, à petite échelle, du phénomène d’émission d’électrons par la surface d’un solide sous l’action de l’absorption d’une lumière laser pulsée ultracourte et intense en vue de comprendre, puis de repousser, les irradiances critiques responsables du phénomène de claquage. Il est conduit sur une surface de cuivre par microscopie de photoémission d’électrons (photoemission electron microscopy PEEM, low energy electron microscopy LEEM), un outil bien adapté à la physique mise en jeu dans la mesure où il construit ses images par collection directe des électrons photoémis. Un premier résultat est l’identification des sites d’émission à l’échelle nanométrique. À petite échelle, toute surface solide possède une rugosité atomique résiduelle sous la forme d’empilements de marches monoatomiques ou paquets de marches. Les fronts abrupts de ces marches atomiques sont le lieu d’une émission électronique privilégiée sous excitation optique. Cela tient au caractère acéré des fronts de marche, qui font office de pointes pour la concentration de la lumière à l’image de l’effet paratonnerre observé sur les pointes macroscopiques des toitures. La figure (1) compare ainsi topographie et cartographie d’émission électronique à l’échelle du micromètre (1 µm = 1.10-6 m) où les marches se manifestent sous forme de paquets de populations aléatoires
La correspondance fronts de marche vs sites d’émission électronique est univoque. L’origine principale du phénomène de claquage est la mise en mouvement de ces marches sous condition d’illumination extrême. L’activation du système de glissement mécanique du solide cible conduit à l’émergence de multiples plans de dislocation en surface, une émission électronique accrue et, par effet boule de neige, à la destruction du solide. Une contremesure simple est le blocage du mouvement des marches en surface par ajout d’un revêtement mince d’une grande raideur mécanique. Les revêtements durs envisagés, sont des oxydes, voire des nitrures. Une surface de cuivre possède deux oxydes naturels, Cu2O (oxyde de cuivre +1, oxyde cuivreux) et CuO (oxyde de cuivre +2, oxyde cuivrique). Ces oxydes peuvent être obtenus par oxydation thermique sous vide au sein d’un microscope LEEM / PEEM. En parallèle de son action mécanique, un film diélectrique est susceptible de confiner en extrême surface le champ électriques associé à l’excitation optique. Il s’agit d’un confinement sublongueur d’onde issu d’un phénomène de guidage de l’excitation optique à la surface de la cible métallique. Par suite de ce confinement, le champ électrique associé aux photons incidents est considérablement amplifié de sorte qu’un nouvel effet physique source d’émission électronique se manifeste. Il s’agit de l’émission froide : sous champ électrique extrême la barrière de potentiel associée au travail de sortie est affaiblie et les électrons sont susceptibles d’être émis par effet tunnel. L’affaiblissement de la barrière travail de sortie et l’occurrence d’une ionisation par effet de champ se manifeste notamment par une modification de la distribution en énergie cinétique des électrons émis. La signature centrale de cette distribution d’énergie est le pic photoélectrique, lequel correspond au nombre minimal de photons qu’un électron doit absorber pour vaincre la barrière du travail de sortie (absorption non linéaire). Deux signatures additionnelles se manifestent, l’une à gauche du pic de photoémission correspond aux électrons émis par effet tunnel au travers d’une barrière amincie (émission froide d’énergie apparente négative relativement au pic photoélectrique de référence); la seconde à droite de ce pic se manifeste sous la forme d’un large plateau avec une énergie de coupure conséquente sans commune mesure avec l’énergie des photons incidents. La population d’électrons associée à ce plateau de rediffusion correspond aux électrons accélérés par le champ électrique de surface, accélération qualifiée de pondéromotrice. Sous l’action du champ électrique oscillant de l’excitation optique, les électrons sont successivement accélérés, puis décélérés avec retour au voisinage de la surface avec un gain résiduel d’énergie. Après plusieurs rebonds, ces électrons s’échappent du solide avec une grande énergie cinétique, typiquement quelques eV à quelques dizaines d’eV. La figure (2) rend compte de la transition entre ces deux régimes d’émission par suivi de la distribution d’énergie cinétique des électrons.
Au final, en présence d’un mince revêtement diélectrique, le régime d’émission d’électrons passe d’un régime photoélectrique en champ faible (faible irradiance laser) à un régime tunnel en champ fort (forte irradiance laser) au-delà d’un seuil d’irradiance de 0,7 GW/cm² (0,073 V/nm). Cette valeur seuil est inférieure d’un ordre de grandeur à celle requise avant oxydation thermique. L’abaissement du seuil de transition photoélectrique vs ionisation tunnel par ajout d’un mince film diélectrique constitue une opportunité technologique certaine. En effet, à densité de courant équivalente, un basculement précoce en régime tunnel permet une moindre sollicitation du solide, soit un abaissement du risque de claquage.
Références
[Richardson – Dushman 1911; Murphy 1956] E. L. Murphy, R. H. Good, Thermionic emission, field emission, and the transition region Phys. Rev. 102 (1956) 1464
[Einstein 1905] Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt « Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière » Ann. Phys. 17 (1905) 132 /10.1002/andp.2005517S111
[Rollin 2026] Influence of a thin dielectric layer on the electron emission properties of a noble metal surface, the CuO/Cu case Rollin E., Saïz G., Douillard L., Cook J., Sparkes M., O »Neill W., Lockwood N., Greenwood A. Plasmonics 21 (2026) 2449–2458 /10.1007/s11468-026-03378-0