Physics of the field evaporation of poor conducting materials in the Laser assisted Atom Probe Tomography

• Auteur / Autrice : Baishakhi Mazumder
• Direction : Bernard Deconihout, Angela Vella, Gilles Martel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Rouen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Spectroscopie de masse par désorption de champ

Semiconducteurs

Sondes atomiques tomographiques

Résumé

La sonde atomique assistée par laser est une technique de nano analyse 3D qui donne des informations à l'échelle atomique avec une résolution spatiale nanométrique. Les phénomènes physiques sous-jacents les mécanismes d'évaporation de ces matériaux mauvais conducteurs sont très complexes en raison de la structure électronique de ces types de matériaux. Ce travail porte sur l'étude de l'évaporation de matériaux mauvais conducteurs à partir de semi-conducteurs (Si, SiC, GaAs et InP) jusqu'aux oxydes (MgO, TiO2 et HfO2). Les atomes de la surface de l'échantillon préparé sous forme de pointe sont ionisés par un champ électrique permanent et l'interaction avec un faisceau laser femtoseconde. Cette interaction augmente la température de la pointe localement, permettant l'évaporation des atomes de surface. Des analyses ont été effectuées en variant les différents paramètres laser (longueur d'onde, énergie, etc. ) pour comprendre les mécanismes d'évaporation sous-jacents. Des modèles ont été développés pour interpréter nos résultats expérimentaux. L'influence de la longueur d'onde et de l'énergie du laser sur les mécanismes d'évaporation de semi-conducteurs et d'oxydes a été déterminée en tenant compte de l'influence de l'absorption optique, de l'effet de flexion des bandes, etc. Des études systématiques, déterminant les conditions d'analyse pour l'évaporation de matériaux mauvais conducteurs ont été effectuées afin d'aider les chercheurs travaillant dans des domaines connexes. Plus précisément l'un des ingrédients clés qui a été ajouté est l'absorption optique de surface et l'évaluation ultérieure du couplage électrons-phonons conduisant à des effets thermiques. La présente thèse marque une étape dans la compréhension de l'évaporation par effet de champ assisté par laser fs, par des résultats expérimentaux et par leur interprétation.

The laser assisted atom probe tomography is a 3D nanoanalysing technique which gives information in the atomistic scale with sub nanometre spatial resolution. The physical phenomena underlying the field evaporation of poor conductive material is very complex due to the electronic structure of these types of materials. This work deals with the field evaporation study of poor conductive materials starting from semiconductors (Si, SiC, GaAs and InP= to insulating oxides (MgO, TiO2, and HfO2). The surface atoms from the tip shaped specimen are ionized by a standing electric field and the interaction of a femto-laser beam with the tip. The laser tip interaction increases the tip temperature locally, enabling the evaporation of surface atoms. Analyses are done varying different laser parameters (wavelength, energy, etc. ) to understand the underlying evaporation mechanism. Representative models have been developed to support our experimental results. The influence of wavelength and laser energy on the evaporation mechanisms of semiconductors and oxides are determined taking into account the influernce of optical absorption, band bending effect, etc. Various complex and diversified physical phenomena were observed ands understood during this study. Systematic studies, determining the analytical conditions for field evaporation of non conducting materials are evaluated to help future researchers working in related fields. Specifically one of the key factors is the surface optical absorption and the subsequent evaluation of the electron phonon coupling leading to thermal effects. The present thesis is a modest attempt to understand the field evaporation behaviour under femtosecond laser pulse and the physics involved in this framework by experimental results and corresponding interpretation.