Physique de l’évaporation par effet de champ assistée par impulsions laser ultracourtes : Application à la sonde atomique

par Baptiste Gault

Thèse de doctorat en Physique. Sciences des matériaux

Sous la direction de Bernard Deconihout.

Soutenue en 2006

à Rouen .

mots clés

• Sondes atomiques tomographiques
• Microscopie ionique à émission de champ
• Spectroscopie de masse par désorption de champ
• Lasers femtoseconde
• Optique non linéaire
• Ablation laser (fabrication)

Résumé

La sonde atomique est un microscope analytique permettant d’observer la distribution tri-dimensionnelle des atomes, chimiquement identifiés par spectrométrie de masse à temps de vol, à une échelle quasi-atomique. Cette technique pourrait être d’une grande utilité dans le développement futur des dispositifs de la nanoélectronique. Cependant, la technique est aujourd’hui limitée à l’analyse de matériaux conducteurs du courant. Ce travail de thèse est la première étape du développement d’une nouvelle génération de sonde atomique assistée par impulsions laser ultracourtes, qui permettrait l’analyse de matériaux mauvais conducteurs, et dont le champ de vision serait accru. Nous avons étudié la physique de l’interaction entre une impulsion laser ultracourte et une pointe métallique dont les dimensions sont sub-longueur d’onde, afin de déterminer le processus physique qui provoque l’évaporation par effet de champ assistée par impulsions laser ultracourtes. A travers une étude des mécanismes d’ablation laser ou d’exaltation de champ électrique, nous avons ainsi pu mettre en évidence que l’évaporation est due à un effet d’optique non-linéaire de surface d’ordre deux, appelé redressement optique. L’échauffement consécutif à l’illumination est aussi caractérisé à l’aide d’une expérience pompe-sonde. Finalement, les performances du nouvel instrument sont aussi discutées : la résolution spatiale semble conservée, la résolution en masse est généralement bien meilleure, et il semble que l’analyse de matériaux pas ou peu conducteurs soit possible.

Titre traduit

Physics of the attrafast laser assisted field evaporation. Application to the atom probe

Résumé

The tomographic atom probe is an analytical microscope able to map the atom distribution in three dimensions with a near-atomic resolution. The atoms are chemically identified by time-of-flight mass spectrometry. This technique could become a key-tool in the development of the future devices of the nanoelectronics. However, the field of applications is limited to good conducting material. This work is the first stage of the development of a new generation of laser assisted atom probe, that could analyse either good or poorly conducting material, with an enhanced field of view. We studied the physics of the interaction between an ultrafast laser pulse and a sub-wavelength metal tip, in order to determine the process that provokes the ultrafast laser assisted field evaportaion. Through a complete study of the laser ablation or of the field enhancement phenomenon, we put into evidence that the evaporation was due to a surface second-order non-linear optical effect called optical rectification. The heating and cooling of the illuminated tip was modelled and experimentally studied by a pump-probe method. Finally, the performances of this new instrument are discussed : the spatial resolution is kept, and the mass resolution is generally greatly increased. It seems that poorly conducting material can also be analysed.