Après avoir réussi à transférer une source d’électrons ultra rapides sur un microscope électronique en transmission moderne dans le cadre d’un premier laboratoire commun (labcom) sur 2018-2023, le Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (Cemes-CNRS) et Hitachi High Tech ont renouvelé leur labcom, baptisé Hitachi-CNRS Infrastructure for Ultrafast Microscopy (HC-IUMI2) à Toulouse ce vendredi 8 mars.
Conjuguant l’optique à la microscopie électronique, le microscope électronique en transmission ultrarapide (UTEM) mis au point par les partenaires et présenté comme « unique au monde » a réalisé sa première émission d’électrons pilotée par laser en juin 2023.
« On vient de montrer que ça marche : c’est une réussite mais c’était un pari risqué ! On vient d’ouvrir une nouvelle fenêtre mais personne ne peut prédire aujourd’hui les applications potentielles. Nous allons en étudier certaines pendant cinq ans, avec un doctorant sur chaque axe de recherche », s’enthousiasme Jocelyn Méré, délégué régional Occitanie Ouest du CNRS.
En l’occurrence, la dynamique des porteurs de charge dans les nanostructures semi-conductrices, la réponse optique, les propriétés nanomécaniques et la dynamique des champs magnétiques et électriques locaux à l’échelle nanométrique, avec les doctorants Cléo Santini, Simon Garrigou, Valentin Rollo et Tom Fraysse.
300 000 volts et 400 femtosecondes
D’un coût estimé entre 2 et 3 millions d’euros, le microscope mis à disposition par Hitachi est actuellement installé dans une salle spécialement conçue pour un microscope avec une dalle anti-vibrations.
Concrètement, « les électrons, qui partent du canon pulsé sont accélérés via plusieurs étages pour atteindre 100 000 à 300 000 volts. Sur la colonne, des lentilles électromagnétiques modifient la trajectoire des électrons pour les orienter vers l’échantillon qu’on veut observer », détaille Tom Fraysse.
« Le microscope comporte une ligne de “pompe” et une ligne de “sonde”. Les impulsions étant de l’ordre de 400 femtosecondes [une femtoseconde est égale à un millionième de milliardième de seconde], il faut s’assurer que l’impulsion électronique arrive rigoureusement en même temps que l’impulsion laser, poursuit Simon Garrigou. C’est pour cela que les lignes laser ont leur longueur ajustée de façon très précise, pour compenser les délais entre les deux. »
Sonder de façon plus riche les propriétés de la matière
« Cet instrument va nous permettre de sonder de façon plus riche les propriétés de la matière grâce au façonnage du faisceau d’électrons et à ses hautes résolutions spatiale et temporelle. Nous allons pouvoir l’utiliser sur des nanotransistors, des dispositifs de stockage magnétique et des structures utilies pour façonner ou détecter la lumière », explique Arnaud Arbouet, chercheur au CNRS et directeur du labcom.
Les partenaires visent aussi à rendre la machine accessible à d’autres chercheurs ainsi qu’à des industriels. « STMicroélectronics a déjà fait appel à l’expertise du Cemes. Avec l’accélération de la miniaturisation, il n’est pas exclu que les techniques de microscopie électronique ultra rapide intéressent ce type d’acteurs pour caractériser in operando des composants à des vitesses de fonctionnement rapides », souligne Arnaud Arbouet.
« Des versions moins sophistiquées que ce microscope sont déjà utilisées dans l’industrie pour étudier les semi-conducteurs, particulièrement les LED et les cellules solaires, mais pour l’instant à des résolutions moins bonnes que les nôtres », relève Sophie Meuret.
