Filmer les électrons au travail

Physiciens de l'Institut d'Optique et de Physique Atomique ont développé une nouvelle méthode permettant d'enregistrer des images en mouvement de processus périodiques dans le microscope électronique en transmission (MET). De tels processus sont par exemple des commutations dans des composants électroniques modernes, appelés nanostructures semi-conductrices. Jusqu'à présent, il n'était pas possible d'obtenir des « aperçus » plus profonds de tels processus.

Ce qui est nouveau dans la méthode développée par le Dr Tolga Wagner sous la direction du Prof. Dr. Michael Lehmann, c'est qu'ils ont réussi à inventer une technique de volet ou d'obturation totalement nouvelle, désormais brevetée [1], pour permettre des « tournages » dans le MET, ou pour le dire autrement, pour filmer l'intérieur d'une échantillon en train de fonctionner. Cela contribue au décryptage de processus physiques fondamentaux tels que la dynamique des porteurs de charge dans des nanostructures semi-conductrices.

« En microscopie électronique, on essaie toujours de maintenir les conditions de mesure aussi stables que possible », explique le Dr Tolga Wagner. Les microscopes électroniques en transmission à haute résolution sont très sensibles aux perturbations extérieures telles que les vibrations, les instabilités thermiques ou les fluctuations de champs électromagnétiques. Cela est encore plus vrai pour l'holographie électronique. Elle ne fournit des informations, par exemple sur la distribution du potentiel à l'intérieur d'un échantillon, que lorsqu'il y a interference, c'est-à-dire superposition de deux ondes électroniques cohérentes, permettant d'enregistrer un motif d'interférence, ou hologramme électronique. La « stabilité » des ondes électroniques entre elles est une condition préalable.

Au lieu de maintenir les conditions de mesure aussi stables que possible, le Dr Tolga Wagner et ses collègues perturbent délibérément la mesure et ne permettent l'interférence que pendant une courte période. L'information ainsi générée provient uniquement de cette période d'interférence. D'une part, cette période (presque) peut être choisie aussi petite que l'on veut — des résolutions temporelles dans la gamme du picoseconde (un millionième de millième de seconde) sont réalisables avec un effort raisonnable. D'autre part, l'effort pour supprimer l'interférence est faible en raison de la grande sensibilité de la configuration face aux perturbations extérieures. « L'idée fondamentale de notre nouvelle méthode est que nous pouvons activer et désactiver très rapidement l'interférence par des perturbations ciblées. C'est le principe de notre technique d'obturation, que nous avons baptisée « interference gating », c'est-à-dire porte d'interférence », explique le Dr Tolga Wagner. La position et la largeur de la « porte » elle-même déterminent quand et pendant combien de temps l'information est enregistrée. Grâce à cette méthode, les physiciens de l'Université Technique de Berlin ont pu augmenter la résolution temporelle du microscope électronique en transmission, situé sur le campus de l'Université à Berlin-Charlottenburg et spécialement optimisé pour la recherche en holographie électronique, du domaine des secondes à 25 nanosecondes [2]. Sur ces échelles de temps, se déroulent notamment des processus électroniques dans les semi-conducteurs. « Avec l'holographie électronique à résolution temporelle que nous avons développée, il est désormais possible d'enregistrer des changements de potentiel dus au mouvement des électrons lors de leur passage à travers des semi-conducteurs, qui ne mesurent que quelques nanomètres (un millionième de millimètre) », explique le Dr Tolga Wagner.

[1] Michael Lehmann, Tore Niermann et Tolga Wagner. « MÉTHODE ET APPAREIL POUR RÉALISER UNE MESURE INTERFÉRENTIELLE À RÉSOLUTION TEMPORALE. », Numéro de publication : EP3376522A1 ; TW201833521A ; US2020103213A1 ; WO2018166786A1 (2018).
https://patentimages.storage.googleapis.com/3f/99/6a/e600762da71959/US20200103213A1.pdf
[2] Tolga Wagner, Tore Niermann, Felix Urban et Michael Lehmann. « Holographie électronique en nanosecondes par porte d'interférence. » Ultramicroscopy 206 (2019) : 112824.
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2019.112824

Pour plus d'informations, n'hésitez pas à contacter :

Dr. Tolga Wagner
TU Berlin
Département de Physique Expérimentale / Nanooptique à électrons et à ions
Tél. : 030 314-24428
E-mail : tolga.wagner@tu-berlin.de