Cartographie de champs électriques en microscopie électronique en transmission à balayage

Mapping of the electric field using transmission electron microscopy

• Auteur / Autrice : Lucas Bruas
• Direction : Jean-Luc Rouvière, David Cooper
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 17/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Williams Lefebvre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Trevor P. Almeida, Moïra Hocevar, Eirini Sarigiannidou
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rafal Dunin-Borkowski, Ana M. Sanchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Holographie

Microscopie électronique en transmission

Champ électrique cristallin

Mots clés libres

Dpc

Champ electrique

Microscopie électronique en transmission

4d-Stem

Holographie

Dpc

4d-Stem

Transmission electronic microscopy

Electric field

Holography

Résumé

La mesure du champ électrique est d'un grand intérêt car sa position, son orientation et sa force contrôlent les propriétés d'un appareil électronique. Cependant, cette mesure avec la résolution et la précision requises a été difficile. Le TEM est bien adapté aux mesures de champ car les électrons incidents sont sensibles à la fois aux champs électromagnétiques et aux potentiels électromagnétiques. Dans cette thèse de doctorat, la technique 4D-STEM a été développée et comparée à deux autres techniques mieux connues. Ces techniques sont l'holographie électronique hors axe basée sur TEM (appelée holographie électronique) et le contraste de phase différentiel segmenté (DPC). Par holographie électronique, des cartes du potentiel électrostatique peuvent être obtenues en utilisant l'interférence électronique. Le faisceau d'électrons chargé négativement est dévié de chaque côté d'un fil chargé positivement ou d'un birpsim pour interférer avec lui-même. La position des franges d'interférence contient des informations sur la phase des électrons à partir de laquelle le potentiel local peut être obtenu. Si des mesures du champ électrique sont nécessaires, elles peuvent alors être dérivées de la carte de potentiel. Cette technique est bien développée dans plusieurs laboratoires à travers le monde et a fait l'objet de nombreuses années de développement au CEA LETI. Par conséquent, il servira de référence pour ce travail en termes de potentiel et de cartographie de terrain. La deuxième technique, DPC, est basée sur la détection de la déviation d'un faisceau convergent lorsqu'il traverse une région contenant un champ électrique. Cela se fait en mesurant les changements de courant de faisceau mesurés sur un détecteur segmenté. L'approche de contraste de phase différentiel pixélisé utilise le même principe que le DPC, mais utilise un détecteur pixélisé pour collecter la distribution complète du faisceau d'électrons diffusé à partir duquel nous espérons pouvoir quantifier les mesures du champ électrique.Les différentes études réalisées au cours de cette thèse nous ont permis de déterminer quels sont les meilleurs paramètres pour la cartographie de champ électrique 4D-STEM. Ces études nous ont également permis de mettre en évidence comment 4D-STEM peut dépasser les limites rencontrées lors de la réalisation à la fois de DPC et d'holographie ainsi que les nouvelles limites atteintes par 4D-STEM.

The measurement of the electric field is of huge interest as its position, orientation and strength will control the properties of an electronic device. However, this measurement with the required resolution and accuracy has been difficult. TEM is well-adapted for field measurements as the incident electrons are sensitive to both the electromagnetic fields and electromagnetic potentials. In this Phd thesis, 4D-STEM technique was developed and compared to two other techniques that are better known. These techniques are the TEM-based off-axis electron holography (which will now be referred as electron holography) and segmented differential phase contrast (DPC). By electron holography, maps of the electrostatic potential can be obtained using electron interference. The negatively charged electron beam is deflected either side of a positively charged wire or birpsim to interfere with itself. From the position of the interference fringes contains information about the phase of the electrons from which the local potential can be obtained. If measurements of the electric field are required, then it can be derived from the potential map. This technique is well-developed in several labs around the world and has been the focus of many years of development at CEA LETI. Therefore, it will used as the benchmark for this work in terms of potential and field mapping. The second technique, DPC is based on the detection of the deflection of a convergent beam as it passed through a region containing an electric field. This is done by measuring the changes in beam current measured on a segmented detector. The pixelated differential phase contrast approach uses the same principle as DPC, but uses a pixelated detector to collect the full distribution of the scattered electron beam from which we hope to be able to quantify the measurements of the electric field.The different studies done during this Phd allowed us to determine what are the best parameters for 4D-STEM field mapping. These studies also permitted us to highlight how 4D-STEM can overcome the limits encountered when performing both DPC and holography and also the new limits that 4D-STEM reaches.