Nouvelles spectroscopies nanosecondes et millielectronvolts au microscope électronique et leurs applications à la nano-optique

Novel nanosecond and millielectronvolt spectroscopies in the electron microscope and their applications to nano-optics

• Auteur / Autrice : Yves Auad
• Direction : Mathieu Kociak, Luiz Galvao Tizei
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/07/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pieter C. van der Kruit, Yannick Dumeige, Jo Verbeeck
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pieter C. van der Kruit, Yannick Dumeige

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de perte d'énergie des électrons

Cathodoluminescence

Optique en champ proche

Nanophotonique

Spectroscopie électronique

Mots clés libres

Microscope électronique en transmission à balayage

Spectroscopie de gain d’énergie des électrons

Spectroscopie de perte d’énergie des électrons

Cathodoluminescence

Timepix3

Spectroscopie d’excitation de cathodoluminescence

Scanning transmission electron microscope

Electron energy-gain spectroscopy

Electron energy-loss spectroscopy

Cathodoluminescence

Timepix3

Cathodoluminescence excitation spectroscopy

Résumé

Dans cette thèse, un ensemble d’interactions électron/matière/lumière ont été explorées dans un microscope électronique en transmission à balayage (STEM, scanning transmission electron microscope) combinant les spectroscopies électroniques traditionnelles, telles que la spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS, electron energy-loss spectroscopy) et la cathodoluminescence (CL) avec de nouvelles techniques, telles que la spectroscopie de gain d’énergie des électrons (EEGS, electron energy-gain spectroscopy) et la spectroscopie d’excitation de cathodoluminescence (CLE, cathodoluminescence excitation spectroscopy), au développement desquelles ce travail a contribué. En particulier, la mesure des résonances à bande étroite d’un micro-résonateur à modes de galerie (WGMR, whispering-gallery mode resonators) optique ont motivé le développement de l’EEGS, une technique prometteuse qui pourrait combiner la résolution spectrale des sources laser avec la résolution spatiale des microscopes électroniques modernes. En outre, l’échelle de temps des résonances souhaitées, de l’ordre de la nanoseconde, a déclenché le développement de l’instrumentation de déflecteurs et de détecteurs rapides à résolution temporelle, tels que la Timepix3 (TPX3). Les WGMRs ont été étudiés seuls ou couplés à une nanoparticule métallique (MNP, metallic nanoparticle) en utilisant les trois principales techniques mentionnées ci-dessus, c’est-à-dire l’EELS, la CL et l’EEGS. Plus de 80 modes de galerie ont pu être identifiés simultanément dans le résonateur seul, tandis qu’un faible couplage a été observé dans le système couplé dans les modes plasmoniques d’ordre inférieur du MNP. En plus, la nature « event-based » du TPX3 a permis le développement d’une reconstruction d’image hyperspectrale qui peut être exécutée en étant uniquement limitée par l’unité de balayage au lieu de la limitation du temps de lecture des détecteurs à frame, comme c’est le cas pour les CCDs (charge-coupled devices). Ainsi, la décomposition de la calcite (CaCO3) a été utilisée pour explorer les potentiels de résolution temporelle de ces détecteurs. Enfin, la présence de time-to-digital converters (TDCs) dans la TPX3 a également déclenché le développement de la CLE car les électrons et les événements photons peuvent être codés avec la même horloge de reference et ainsi associé l’électron à une émission photon. La CLE a été utilisé pour étudier les interactions électrons-photons en phase, telles que le rayonnement de transition et les plasmons de surface localisés, et les interactions sans relation de phase, telles que l’absorption proche de le band gap et d’un plasmon de volume. Une nanosphère d’or à coquille de silice et un flocon de h–BN ont été utilisés comme échantillons.

In this thesis, a myriad of electron/matter/light interactions have been explored in a scanning transmission electron microscope (STEM) combining traditional electron spectroscopies, such as electron energy-loss spectroscopy (EELS) and cathodoluminescence (CL) with novel techniques, such as electron energy-gain spectroscopy (EEGS) and cathodoluminescence excitation spectroscopy (CLE), in which this work has contributed to developing. In particular, the narrow-band resonances of an optical whispering gallery mode resonator (WGMR) have motivated the development of EEGS, a promising technique that could combine the spectral resolution of laser sources with the spatial resolution of modern electron microscopes. Besides, the time-scale of the desired resonances, in the nanosecond range, has triggered instrumentation developments of time-resolved fast deflectors and detectors, such as Timepix3 (TPX3). WGMRs were studied either bare or coupled to a metallic nanoparticle (MNP) by using all the three main techniques aforementioned, i.e. EELS, CL, and EEGS. More than 80 gallery modes could be simultaneously identified in the bare resonator, while weak coupling was observed in the coupled system in the lower-order plasmonic modes of the MNP. Additionally, the event-based nature of TPX3 allowed the development of a hyperspectral image reconstruction that can be performed limited by the scanning unit instead of the long-lasting limitation of the readout time of frame-based detectors, such as in charged-coupled devices (CCDs). With this, the decomposition of calcite (CaCO3) was used to explore the time-resolved potentials of such detectors. Finally, the presence of time-to-digital converters (TDCs) in the TPX3 also triggered the development of CLE because electrons and photon events can be timestamped with the same reference clock and thus relate to the electron associated with a photon emission. CLE was used to study phase-locked electron-photon interactions, such as in transition radiation and localized surface plasmons, and non-phase-locked interactions, such as near-band edge and bulk plasmon absorption. For such, a silica-shelled gold nanosphere and a h-BN flake were used as samples.