Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Design et développement instrumental pour l’optique électronique

Le groupe I3EM concentre une grosse partie de son activité de recherche principalement autour des nouveaux développements méthodologiques en microscopie électronique en transmission (Interférométrie électronique, spectroscopie EELS, …). Ces développements sont intimement liés aux avancés instrumentales que ce soit en optique électronique (nouvelle source, lentilles, …) que dans le cas des divers « accessoires » attenants au microscope (biprisme électrostatique, portes objets, détecteurs, …).

L’équipe « design et développement instrumental pour l’optique électronique » du groupe I3EM tente de répondre aux divers besoins tant pour les questions relatives à l’optique électronique que dans le cas des accessoires

1. Optique électronique

 * Nouvelle source à émission de champ

Le cœur de l’activité optique électronique  se concentre sur l’étude, la mise au point et le prototypage de nouvelles sources à émission de champ froide fonctionnant sous haute tension, dont les propriétés (Emittance, Brillance, Aberrations, …) auront une grande influence sur l’ensemble des techniques développées par la suite.

La phase d’étude et de conception est réalisée en combinant des logiciels de dessin industriel 3D et des simulations par éléments finis permettant de remonter aux valeurs des champs (électriques ou magnétiques) présents dans les éléments d’optique développés, ainsi que les trajectoires électroniques associées.

Les outils utilisés sont principalement Simion 8.1, EOD (Electron Optics Design) 4.008 du Pr. Lencova et COMSOL Multiphysics pour la partie simulations éléments finis et Catia V5 pour la partie dessin industriel (cf figure 1).

La phase de mise au point et de prototypage est réalisée par la suite en étroite collaboration avec les services techniques du laboratoire (plateforme ingénierie en particulier) et en faisant appel régulièrement à des prestataires externes. Sur la figure 1 nous reportons pour exemple le banc de test expérimental des nouvelles sources hautes tensions réalisées au laboratoire. Le banc étant actuellement dédié aux tests de la source ultrarapide développée dans le cadre du projet Femtotem (coll. I3EM et NEO). 

Electrons trajectories calculated for a 200kV CFEG using CCnT cathode nanotips and overview of the experimental test bench for new high voltage source.
Electrons trajectories calculated for a 200kV CFEG using CCnT cathode nanotips and overview of the experimental test bench for new high voltage source.

 [1] F. Houdellier, L. de Knoop , C. Gatel , A. Masseboeuf , S. Mamishin , Y. Taniguchi , M. Delmas , M. Monthioux , M.J. Hÿtch , E. Snoeck Ultramicroscopy 151 107–115 (2015) Development of TEM and SEM high brightness electron guns using cold-field emission from a carbon nanotips.

[2] F. Houdellier, A. Masseboeuf, M. Monthioux and M.J. Hytch Carbon, 50, 2037–2044, (2012)New carbon cone nanotip for use in a highly coherent cold field emission electron microscope

 [3] A. Arbouet, F. Houdellier, R. Marty and C. Girard Journal of Applied Physics Volume : 112 Issue : 5-053103 (2012). Interaction of an ultrashort optical pulse with a metallic nanotip : A Green dyadic approach.

[4] A.Arbouet and F.Houdellier Patent USPTO (9.263.229 B2)[5] M.Monthioux and F. Houdellier Patent USPTO (9.048.057 B2)

 * Simulation

En parallèle, nous travaillons sur des nouvelles techniques d’interférométrie électronique utilisant les nombreuses possibilités de l’I2TEM. Pour cela nous développons des modèles de simulations de trajectoires électroniques pour l’ensemble du microscope (de la pointe FEG au détecteur). Ces simulations, réalisées majoritairement en combinant Simion et EOD, permettent de préparer en amont les expériences en calculant les courants des lentilles (rondes et multipolaires) et en remontant à certaines propriétés ciblées des interférogrammes (taille de l’hologramme, contraste, …). En figure 2 est reporté un exemple de trajectoires obtenues dans une configuration SCBED autour de l’objet, positionné entre les pièces polaires de la lentille objectif. 

Electrons trajectories inside I2TEM objective in SCBED configuration with 300V applied in the biprism condensor
Electrons trajectories inside I2TEM objective in SCBED configuration with 300V applied in the biprism condensor

 [6] F. Houdellier, F. Röder , E. Snoeck Ultramicroscopy 159 59–66 (2015) Development of splitting convergent beam electron diffraction (SCBED)

 [7] F. Röder, F. Houdellier, T. Denneulin, E. Snoeck, M.J. Hÿtch Ultramicroscopy 161 23-40 (2016) Realization of a tilted reference wave for electron holography by means of a condenser biprism

Depuis septembre 2014, un contrat de collaboration a par ailleurs été signé entre le CNRS et l’entreprise Japonaise « Hitachi High technologies ». Cette collaboration concerne essentiellement les développements, décrits précédemment, autour des nouvelles techniques avancées en interférométrie sur l’I2TEM et les développements de nouvelle source. Il fait d’HHT un partenaire privilégié lors du transfert de ces développements potentiels effectués au sein du groupe.

2. Accessoires des microscopes

Une importante activité de développements d’accessoires annexes au microscope est aussi proposée. Nous travaillons entre autre autour de la conception et de la fabrication des divers éléments suivants :

* Biprisme électrostatique pour l’I2TEM (Collaboration avec la plateforme Caractérisation (Robin Cours))
a- New biprism holder simulate using Finite element modelling. b- Potential distribution around the wire for 100V voltage between the wire and the ground electrode. c- FIB prepared H-bar wire d- Wire observed in TEM within the new biprism holder system.
a- New biprism holder simulate using Finite element modelling. b- Potential distribution around the wire for 100V voltage between the wire and the ground electrode. c- FIB prepared H-bar wire d- Wire observed in TEM within the new biprism holder system.
* Porte objet in situ multicontact pour microscopes FEI
Du microscope (gauche) au nano-objet (droite) : conception et fabrication du porte objet et du support contacté transparent aux électrons
Du microscope (gauche) au nano-objet (droite) : conception et fabrication du porte objet et du support contacté transparent aux électrons
* Système de cathodoluminescence pour HF2000 dans le cadre du projet Femtotem (collaboration groupe NEO. Design et collaboration CEMES-LPS Orsay (Mathieu Kociak))
 * Plateforme de nanoassemblage pour le FIB Helios (Collaboration avec Smaract Company et Femtotools Gmbh)