Propriétés d'émission et de conduction de nano-pointes de diamant sous éclairement laser ultra-bref : Etude par microscopies à effet de champ et spectroscopie en énergie

par Mario Borz

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Angela Vella et de Ammar Hideur.

Soutenue le 21-11-2019

à Normandie , dans le cadre de École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime) , en partenariat avec Université de Rouen Normandie (1966-....) (Etablissement de préparation de la thèse) et de Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Bernard Deconihout.

Le jury était composé de Hamed Merdji, Benoît Chalopin.

Les rapporteurs étaient Anthony Ayari, Arnaud Arbouet.

mots clés

• Microanalyse par sonde électronique
• Diamant
• Émission de champ
• Photoémission
• Spectroscopie d'émission
• Microanalyse par sonde électronique
• Diamant
• Émission de champ
• Photoémission
• Spectroscopie d'émission

Résumé

Le but de cette thèse est de comprendre les changements dans les propriétés électriques et optiques des matériaux à large bande interdite à l'échelle nanométrique par rapport au matériau massif et en présence d'un champ électrique statique intense. Le diamant en forme de nano-aiguille a été choisi comme matériau d'étude en raison de sa large bande interdite, sa haute résistance aux contraintes externes et sa conduction thermique élevée. Le diamant présente également une résistance électrique élevée, ce qui en fait un bon candidat pour l'étude des modifications de conduction électrique sous des champs électriques et optiques forts. Afin d'étudier les propriétés de conduction électrique, deux différentes techniques expérimentales ont été utilisées : la microscopie ionique à effet de champ et la microscopie électronique à effet de champ avec et sans éclairement laser. Les observations expérimentales ont été couplées à des modèles de conduction électrique qui décrivent qualitativement et quantitativement les résultats obtenus. Pour l'étude des propriétés optiques, une microscopie électronique à émission de champ assistée par laser a été réalisée. Dans ce cas, l'étude a été menée dans deux configurations expérimentales : l'une en éclairant l'ensemble de l'échantillon par le faisceau laser et l'autre en focalisant le laser uniquement sur le sommet de la nano-pointe où le champ électrique est augmenté et les électrons sont émis dans le vide. Les résultats décrivent les propriétés de conduction électrique et d'émission d'électrons des nano-aiguilles de diamant dans l'obscurité et sous un éclairement laser. En tant qu'émetteurs d'électrons, les nano-aiguilles de diamant présentent des avantages par rapport aux pointes métalliques telles qu'une stabilité d'émission et un seuil de dommage plus élevés sous éclairement laser. Les résultats sont prometteurs pour le développement d'une nouvelle source de photo- électrons pour la microscopie électronique résolue en temps.

mots clés

• Electronic probe microanalysisi
• Diamond
• Field emission
• Photoemission
• Emission spectroscopy

Titre traduit

Emission and conduction properties of nano-needle diamond under ultra-short laser illumination : Study by field-effect microscopy and energy spectroscopy

Résumé

The aim of this thesis is to understand the changes in the electrical and optical properties of large band-gap materials at the nanoscale in the presence of a huge static electric _eld. Diamond nano-needle has been chosen as a study material, thanks to its wide band gap, high resistance to external stress and high thermal conduction. Diamond presents also high electrical resistance, making it a good candidate for the study of electrical conduction modi_cations under high electric and optical _elds. In order to study the electrical conduction properties, two di_erent experimental tech- niques were used: Field Ion microscopy and Field Emission Microscopy with and without laser illumination. The experimental observations were coupled with electrical conduction models which describe qualitatively and quantitatively the obtained results. For the study of the optical properties, laser-assisted Field Emission Microscopy was performed. In this case, the study was performed in two experimental con_gurations: one by illuminating the whole sample by the laser beam and the other by focusing the laser beam only on the apex of the nano-tip where the electric _eld is enhanced and the electrons are emitted into vacuum. The results describe the electrical conduction and electron emission properties of the diamond nano-needles in dark and under laser illumination. As _eld emitters, diamond nano-needles show advantages compared to metallic tips such as: higher emission stability and higher damage threshold under laser illumination. The results are promising for the development of novel photo-electron sources for time- resolved electron microscopy.