Le groupe LEPO possède un microscope LEEM/PEEM III (Elmitec GmbH), muni d’un analyseur en énergie pour les électrons et associé à plusieurs sources lumineuses, dont un laser Ti-Sa accordable (Coherent Chameleon Ultra II) équipé d’un doubleur/tripleur (APE HarmoniXX), d’un oscillateur paramétrique optique OPO, et une source UV-visible continue intense (Energetiq EQ-77 LDLS). Cet outil permet d’investiguer des phénomènes physiques variés.
Crédit photos : Philippe Forget, CEA
PEEM – PhotoElectron Emission Microscopy
Développée dès les années 1930 [Brüche 1933], la microscopie de photoémission d’électrons PEEM possède pour principe d’imagerie la collection des électrons émis par une surface par effet photoélectrique. Il s’agit d’une microscopie de type plein champ, dont le principe de construction de l’image est équivalent à celui mis en œuvre dans un microscope optique. Sa résolution spatiale peut atteindre la dizaine de nanomètres, voire < 3 nm sur des instruments corrigés des aberrations des optiques électroniques.
Dans la configuration développée au sein du groupe, l’échantillon est illuminé par un faisceau de lumière de longueur d’onde pouvant aller du proche IR à l’UV. L’image obtenue possède un contraste fonction de l’énergie cinétique des électrons collectés et reflète directement le travail de sortie du matériau ou la distribution des espèces chimiques présentes en surface. La microscopie PEEM constitue ainsi un outil d’investigation des surfaces.
LEEM – Low Energy Electron Microscopy
L’ajout d’une source d’électrons permet l’imagerie de surface via la collection d’électrons rétrodiffusés, voire rétrodiffractés élastiquement. Le mode d’imagerie LEEM met en œuvre des électrons de faibles énergies cinétiques [0 – 100 eV] [Bauer 2014, 2020], ce qui favorise les interactions électrons surface. Sur un instrument non corrigé des aberrations des optiques électroniques, la résolution spatiale latérale est de l’ordre de 5 à 10 nm. Le contraste des images est lié pour une part à la grande variabilité des réflectivités électroniques des atomes constitutifs de la surface, à des phénomènes d’interférences entre chemins optiques des électrons, et à la topographie de surface responsable d’une modification du champ électrique local.
Autres modes d’imagerie
Par extension, tout processus physique susceptible d’émettre des électrons ouvre la voie à une imagerie d’émission d’électrons spécifique. Ainsi, la production d’électrons par effet thermoionique, au travers d’une émission de type Richardson-Dushman conduit à la microscopie ThEEM thermal electron emission microscopy. Ci-contrre, un exemple d’une image ThEEM d’un échantillon de LaB6-ZrB2 à 1050K (champ de vue de 6µm).
La production d’électrons par effet de champ, via un processus de type Fowler-Nordheim sous champ électrique statique, voire dynamique (laser), donne naissance à la variante FEEM field emission electron microscopy.
Nos thématiques de recherche sur le LEEM/PEEM
Nanophotonique par PEEM multi-photon
Grâce à l’utilisation d’une source laser femtoseconde opérant dans le domaine des longueurs d’onde visibles/IR, la microscopie PEEM devient une méthode non-intrusive de cartographie du champ proche optique [Losquin 2020]. Sur un plan physique, les phénomènes d’exaltation du champ proche optique omniprésents en nanophotonique et plasmonique magnifient l’effet photoélectrique. Compte tenu des énergies de photons mises en jeu au regard de l’énergie minimum requise pour extraire un électron d’un solide (travail de sortie), les électrons collectés résultent d’un processus de photoémission non-linéaire, voir Figure ci-contre. Les images obtenues affichent alors un fort contraste reflétant les zones d’exaltation du champ proche.
Régime de champ fort
Au-delà d’un champ électrique critique, tout solide émet des électrons par effet tunnel, un phénomène physique d’origine quantique. Ce phénomène d’émission, caractéristique des régimes de champ fort, constitue l’un des modes d’imagerie naturel d’un microscope LEEM / PEEM, le mode field emission electron microscopy FEEM. Ainsi, pour une part, nos sujets de recherche visent à répondre aux questions fondamentales liées à l’émission d’électrons par une surface soumise à un champ électrique extrême. Nous étudions notamment la physique d’émission de matériaux sources d’électrons in operando dans approche multidimensionnelle (espace, énergie, temps).
Microscopie d’électroemission de dispositifs LED
L’opération d’une LED light-emitting diode à fort courant d’injection engendre la production d’électrons énergétiques qui peuvent s’échapper de la partie active du dispositif et rejoindre sa surface (voir image ci-contre). La réduction du travail de sortie de la surface par le dépôt d’une monocouche de Cs nous permet d’extraire ces électrons, de les imager et de les analyser en énergie dans le LEEM/PEEM,afin d’investiguer les processus électroniques dans la LED [Tak 2023]. Par ailleurs, la synchronisation de l’opération du dispositif avec l’envoi d’une impulsion laser permet la photoémission des électrons injectés électriquement dans la bande de conduction du dispositif, afin d’accéder à la dynamique des charges dans la structure.
Références
[Losquin 2020] A. Losquin et L. Douillard, La microscopie de photoémission d’électrons, un outil multidimensionnel pour l’optique champ proche, Photoniques 102, 35-38 (2020)
[Brüche 1933] Brüche, E. Elektronenmikroskopische Abbildung mit lichtelektrischen Elektronen. Z. Physik 86, 448–450 (1933)
[Bauer 2014] E. Bauer, Surface microscopy with low energy electrons, Springer New York (2014)
[Bauer 2020] E. Bauer, Surface microscopy with low energy electrons: LEEM, J. of Elec. Spec. and Rel. Phenom. 241, 146806 (2020)
[Tak 2023] Injection mechanisms in a III-nitride light-emitting diode as seen by self-emissive electron microscopy, Phys. Rev. Applied 20, 064045 (2023)
