Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales


Accueil > Faits marquants

Nanocathodoluminescence résolue en temps dans un MET

Une première, fruit d’une collaboration entre des chercheurs du CEMES et du LPS-Orsay

par Guy Molénat - publié le

Une collaboration entre des chercheurs du CEMES et du LPS-Orsay a permis pour la première fois de réaliser une expérience de cathodoluminescence résolue en temps dans un microscope électronique en transmission. Ces travaux démontrent la possibilité de cartographier le temps de vie de fluorescence d’émetteurs avec une résolution spatio-temporelle inégalée.

L’émission de lumière, également appelée luminescence permet d’accéder à des informations précieuses sur les propriétés physiques et la dynamique des systèmes atomiques, moléculaires ou des solides excités. Parmi ces propriétés, la durée de vie d’un état excité est d’un intérêt tant fondamental qu’applicatif. Aussi, sa mesure stimule depuis des décennies la mise au point de nouveaux développements instrumentaux. Les techniques utilisées se sont longtemps appuyées sur une excitation optique de l’échantillon. Cependant, la résolution spatiale limitée des spectroscopies optiques et les échelles de longueur caractéristiques des principaux processus de relaxation souvent inférieures à la longueur d’onde optique ont motivé la recherche de stratégies alternatives.

C’est historiquement dans des microscopes électroniques à balayage (MEB) que la mesure de l’émission de lumière a été réalisée. Cependant, malgré les gains importants en résolution spatiale par rapport aux systèmes optiques, les technologies MEB sont intrinsèquement limitées, et ne permettent pas, par exemple, d’accéder à l’information structurale atomique en parallèle de l’information optique.

C’est ce que permet, en revanche, les technologies de type microscopie électronique en transmission (TEM). La collaboration entre les chercheurs du CEMES à Toulouse et du LPS-Orsay a permis de réussir une telle mesure dans un microscope électronique en transmission ultrarapide (UTEM).

Ces expériences de nanocathodoluminescence résolue en temps dans un MET permettront d’obtenir des informations à l’échelle nanométrique sur la connexion entre les propriétés structurales et la dynamique des porteurs de charge dans les nanostructures de semi-conducteurs. Elles permettront par exemple d’étudier la modification ultralocale de l’efficacité quantique interne de nanostructures de semi-conducteurs liée à la modulation de la concentration de dopants, aux variations de contraintes, aux champs électriques (effet Stark confiné quantique), aux interfaces ou aux défauts structurels tels que les dislocations. Elles permettront d’approfondir notre compréhension de la physique des excitons dans ces systèmes confinés, une physique qui est au cœur de nombreuses applications en photodétection, émission de lumière, sources de photons uniques…

Images MET d’un cluster de nanodiamants, le carré blanc représente la zone scannée (image en insert). Carte de l’intensité (b) et de la durée de vie (c) de l’émission lumineuse détectée à chaque pixel. d) Signal de cathodoluminescence résolue en temps détecté aux emplacements représentés par les carrés rouge et bleu en c).

 

Publication : Time-resolved cathodoluminescence in an ultrafast transmission electron microscope. S. Meuret, L. H.G. Tizei, F. Houdellier, S. Weber, Y. Auad, M. Tencé, H.-C. Chang, M. Kociak and A. Arbouet, Appl. Phys. Lett. DOI : doi.org/10.1063/5.0057861

 

Contacts au CEMES :

Sophie Meuret : sophie.meuret [chez] cemes.fr

Arnaud Arbouet : arnaud.arbouet [chez] cemes.fr