Nouvelles sources d'électrons basées sur des nanoaiguilles non métalliques pour des paquets d'électrons ultrarapides.

New election sources based on nonmetallic nanoneedles for ultrafast electron bunches

• Auteur / Autrice : Onkar Bhorade
• Direction : Angela Vella, Bernard Deconihout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Ammar Hideur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Arbouet, Odile Stéphan, Evelyne Salançon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Arbouet, Odile Stéphan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocristaux semiconducteurs

Phénomènes ultra-rapides

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

LaB6

Nanopointe

Laser femtoseconde

Émission d'électrons ultrarapides

Sources d'électrons ultrarapides

LaB6

Nanotip

Femtosecond laser

Ultrafast electron emission

Ultrafast electron sources

Résumé

Le couplage de nanostructures et de champs laser intenses peut conduire à une localisation accrue des champs électriques à l'échelle nanométrique. Ce champ élevé, statique et optique, peut induire l'émission d'électrons et d'ions. Cette thèse vise à comprendre les propriétés d'émission d'électrons, en termes de stabilité, d'étalement de l'énergie des électrons et de luminosité, d'émetteurs uniques à l'échelle nanométrique en présence d'un champ électrique statique élevé et d'une illumination laser infrarouge femtoseconde.Les nanopointes monocristallines LaB6 et les nanofils de silicium revêtus de LaB6 (Si NW) ont été choisis comme émetteurs en raison de la faible fonction de travail, de la conductivité élevée, du point de fusion élevé et de la résistance aux dommages du LaB6. Le LaB6 présente également des propriétés d'émission d'électrons basées sur l'orientation cristallographique, ce qui en fait un bon candidat pour les sources d'électrons nécessitant des propriétés d'émission adaptées. Il a été démontré que des impulsions infrarouges (IR) intenses focalisées sur des surfaces métalliques permettaient d'accéder au régime de champ fort et à la mise à l'échelle de l'énergie cinétique des électrons en raison de l'accélération pondérale. Les impulsions IR femtosecondes de grande longueur d'onde peuvent également confiner l'interaction laser-électron à la surface de l'émetteur à une fraction du cycle optique du laser, ce qui donne lieu à des impulsions électroniques attosecondes.Afin de comprendre l'émission d'électrons à partir de la nanopointe LaB6 (100) et sa dépendance vis-à-vis de la surface cristallographique, deux techniques ont été utilisées, à savoir la microscopie électronique de champ et la microscopie ionique de champ : La microscopie électronique de champ et la microscopie ionique de champ. Les mécanismes d'émission d'électrons et la répartition de l'énergie correspondante ont été étudiés en faisant varier la tension appliquée à la pointe émettrice et la puissance d'illumination du laser. Les expériences ont démontré l'existence d'une source d'électrons à champ froid stable et à haute luminosité et la génération d'électrons à haute énergie par multiphoton (MPP) et photoémission au-dessus du seuil (ATP) à partir d'une pointe non métallique. Des expériences similaires ont été réalisées pour une pointe de LaB6 (310). Le changement d'orientation cristallographique n'a pas modifié les mécanismes d'émission mais a entraîné une émission instable d'électrons.Une étude comparative de l'émission d'électrons à partir de réseaux de NW Si et de réseaux de NW Si revêtus de LaB6 a été réalisée pour comprendre l'effet de l'épaisseur du revêtement sur les propriétés d'émission. Les résultats indiquent qu'une fine couche de LaB6 améliore la stabilité de l'émission et la densité du courant, et réduit également la tension d'allumage. Enfin, des expériences visant à étudier l'émission d'électrons à partir d'un seul fil de Si revêtu de LaB6 ont été réalisées pour démontrer les effets des couches d'oxyde dans l'échantillon et de son état de surface.Le résultat expérimental de ce travail de doctorat constitue une étape prometteuse vers la génération de groupes d'électrons ultrarapides et ultracourts à partir de nanostructures non métalliques faciles à fabriquer, qui peuvent être utilisées pour la génération de sources d'électrons pulsées compactes à haute densité de courant afin de capturer la dynamique moléculaire à des échelles de temps très courtes.

The coupling of nanostructures and intense laser fields can lead to enhanced localization of electric fields at nanoscales. This high field, static and optical fields, can induce electron and ion emission. This thesis aims to understand the electron emission properties, in terms of stability, electron energy spread, and brightness, of single nanoscale emitters in the presence of a high static electric field and femtosecond infra-red laser illumination.LaB6 single crystal nanotips along with LaB6 coated Silicon nanowires (Si NW) were chosen as the emitters owing to the low work function, high conductivity, high melting point, and damage resistance of LaB6. LaB6 also presents electron emission properties based on crystallographic orientation which can make it a good electron source candidate where tuned emission properties are required. Intense infra-red (IR) pulses focused on metal surfaces have been demonstrated to provide access to the strong-field regime and scaling of electron kinetic energy due to ponderomotive acceleration. Long wavelength IR femtosecond pulses can also confine the laser-electron interaction at the emitter surface to a fraction of the laser optical cycle resulting in attosecond electron pulses.In order to understand the electron emission from LaB6 (100) nanotip and its crystallographic surface dependence, two techniques were used namely: Field electron Microscopy and Field Ion Microscopy. The mechanisms of electron emission and the corresponding energy spread were studied by varying the voltage applied to the emitter tip and the laser illumination power. The experiments demonstrated a stable, high-brightness pulser cold field electron source and generation of high energy electrons through Multiphoton (MPP) and Above Threshold Photoemission (ATP) from a non-metallic tip. Similar experiments were carried out for a LaB6 (310) nanotip. The change in crystallographic orientation did not change the emission mechanisms but resulted in unstable electron emission.A comparative study of electron emission from Si NW arrays and LaB6 coated Si NW arrays was performed to understand the effect of coating thickness on the emission properties. The findings indicated that a thin layer of LaB6 coating results in improved emission stability and current density, and also lowered the turn-on voltage. Finally, experiments to study electron emission from a single LaB6 coated Si NW were performed demonstrating the effects of oxide layers in the sample and its surface state.The experimental output of this Ph.D. work is a hopeful step toward the generation of ultrafast and ultrashort electron bunches from easy-to-fabricate non-metallic nanostructures, which can be used for compact high-current density pulsed electron source generation to capture molecular dynamics at the smallest timescales.