Un microscope électronique ultrarapide et lumineux !

Publié par Redbran le 14/10/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Relier les propriétés lumineuses et la structure d'un matériau à l'échelle du nanomètre donne accès à des informations précieuses pour le développement de dispositifs optoélectroniques. Des physiciennes et des physiciens ont pour la première fois mesuré en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) à l'échelle de la nanoseconde la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) émise sous l'effet des électrons au sein d'un microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules...) en transmission ultrarapide (UTEM). Ces travaux ouvrent la voie à une cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le...) de la durée de l'émission de lumière avec une résolution spatio-temporelle inégalée.


(a) Image en microscopie électronique à transmission d'un agrégat de nanodiamants, le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...) représente la zone balayée (insert).
(b) Cartographie de l'intensité de l'émission de cathodoluminescence
(c) Cartographie de la durée de vie (La vie est le nom donné :) de l'émission de cathodoluminescence
(d) Signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) de cathodoluminescence résolu en temps détecté aux emplacements représentés par les carrés rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) et bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) en (c). Les traits non bruités représentent l'ajustement des données pour la détermination de la durée de vie.

L'excitation d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) par des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) ou des électrons conduit parfois à l'émission de lumière: c'est le phénomène de luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui...). L'analyse de cette lumière, notamment son évolution temporelle, donne des informations précieuses sur le matériau. Dans le cas d'une excitation par des photons, l'analyse est faite avec une résolution spatiale de l'ordre du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) lorsqu'on utilise un microscope optique (Le microscope optique est un instrument d'optique muni d'un objectif et d'un oculaire qui permet de...). En utilisant un microscope électronique à balayage, on atteint une résolution spatiale nanométrique et dans ce cas, l'excitation est produite par les électrons du faisceau du microscope: c'est le phénomène de cathodoluminescence. De plus, si on utilise un microscope électronique à transmission (TEM), on a accès à la structure atomique du matériau.

Dans ce travail, les physiciennes et les physiciens ont utilisé le microscope électronique à transmission ultrarapide (UTEM) développé au Centre d'élaboration de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et d'études structurales (CEMES,CNRS) à Toulouse, et, grâce à l'insertion près de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) d'un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) parabolique de grande ouverture numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) développé au Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des solides (LPS, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Univ. Paris-Saclay) à Orsay, ils ont collecté suffisamment de lumière pour enregistrer pour la première fois un signal de cathodoluminescence avec à la fois une résolution spatiale de l'ordre de la dizaine de nanomètres et une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde. Ces travaux sont publiés dans la revueApplied Physics Letters.

Les chercheuses et les chercheurs ont étudié des agrégats de nanodiamants possédant des défauts cristallins, dits centres NV, dans lesquels un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) coexiste avec une lacune, c'est-à-dire un atome manquant. Alors que le diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...) parfait est transparent, ces centres sont aussi appelés centres colorés à cause de la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) par leur luminescence. Cette luminescence est transitoire et c'est sa durée de vie qui était plus particulièrement l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de l'étude. Celle-ci a ainsi été déduite de la mesure en fonction du temps du signal de cathodoluminescence.

Pour réaliser les expériences, le faisceau d'électrons de l'UTEM a été pulsé avec des impulsions d'une durée de 400 femtosecondes (4x10−13 s) grâce à l'excitation de la source d'électrons du microscope, une pointe de tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de...), par un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) femtoseconde, puis focalisé sur un échantillon de nanodiamants. Le principal défi auquel les scientifiques ont dû faire face a été de distinguer le signal du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....). En effet, le courant du faisceau d'électrons pulsé de l'UTEM est beaucoup plus faible que celui d'un TEM conventionnel, ce qui entraîne une diminution drastique du signal émis par l'échantillon. C'est pour cela que les chercheurs ont inséré dans l'objectif de ce microscope un miroir parabolique de grande ouverture numérique afin de collecter de façon efficace la lumière émise. Ils ont ainsi cartographié avec une résolution spatiale de 12 nm la durée de vie de l'excitation des centres colorés des nanodiamants, de l'ordre de 20 ns, avec une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde (figure).

Mesurer ainsi de façon intégrée au sein d'un UTEM la structure atomique résolue spatialement et la cathodoluminescence résolue temporellement est très prometteur par exemple pour l'étude de l'émission de lumière dans des nanostructures semiconductrices: le rendement d'émission et la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) des porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) sont alors connectés localement aux propriétés structurales et reliés à des paramètres comme la concentration de dopants, les contraintes ou les champs électriques. Ceci est intéressant pour des applications aux dispositifs optoélectroniques tels que des photodétecteurs ou des sources de photons uniques.

Référence:
Time-resolved cathodoluminescence in an ultrafast transmission electron microscope.
S. Meuret, L. H.G. Tizei, F. Houdellier, S. Weber, Y. Auad, M. Tencé, H.-C. Chang, M. Kociak and A. Arbouet, Appl. Phys. Lett., paru le 11 août 2021.
DOI: doi.org/10.1063/5.0057861.
Texte disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.

Contacts:
- Arnaud Arbouet - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS, Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales - arnaud.arbouet atcemes.fr
- Sophie Meuret - Chargée de recherche CNRS, Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales - sophie.meuret at cemes.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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