(Nouvelles de Nanowerk) Des physiciens de l’Institut d’optique et de physique atomique de la TU Berlin ont mis au point une nouvelle méthode qui permet d’acquérir des images animées de processus périodiques dans un microscope électronique à transmission (MET). Des exemples de ces processus incluent la commutation dans des composants électroniques de pointe connus sous le nom de nanostructures semi-conductrices. Auparavant, il n’était pas possible d’observer en détail le fonctionnement interne de tels processus.
Développée par le Dr Tolga Wagner sous la supervision du professeur Dr Michael Lehmann, la méthode est nouvelle dans la mesure où l’équipe de recherche a inventé une toute nouvelle technique d’obturation, ou de “gating” (brevetée depuis – EP3376522A1; TW201833521A; US2020103213A1; WO2018166786A1) avec laquelle pour “filmer des électrons au travail” à l’intérieur d’un échantillon dans un TEM. Le microscope est situé sur le campus TU Berlin à Berlin-Charlottenburg et a été optimisé spécialement pour la recherche sur l’holographie électronique (EH).
La nouvelle méthode facilite l’étude du fonctionnement des processus physiques de base (par exemple, la dynamique des porteurs de charge dans les nanostructures semi-conductrices).
« Les chercheurs dans le domaine de la microscopie électronique essaient toujours de maintenir les conditions de mesure aussi stables que possible », explique le Dr Wagner.
Les microscopes électroniques à transmission haute résolution sont très sensibles aux facteurs externes perturbateurs tels que les vibrations, les instabilités thermiques et les fluctuations des champs électromagnétiques. Ceci est encore plus vrai pour l’holographie électronique.
Afin de fournir des informations sur des aspects tels que la distribution de potentiel au sein d’un échantillon, l’holographie électronique nécessite que deux ondes électroniques cohérentes se chevauchent (interférences). Cela produit un motif d’interférence, l’hologramme électronique, qui peut ensuite être capturé. Pour que cela fonctionne, les ondes électroniques doivent être dans un arrangement stable les unes par rapport aux autres.
Cependant, le Dr Wagner et ses collègues perturbent délibérément le processus de mesure. Au lieu de maintenir une stabilité maximale, ils ne permettent l’interférence que pendant une courte période. Les informations ainsi générées proviennent exclusivement de la période au cours de laquelle le motif d’interférence s’est produit. Il n’y a (presque) aucune limite quant à la durée de la période. Des résolutions temporelles de l’ordre de la picoseconde (un millionième de clin d’œil) sont possibles avec un effort raisonnable.
De plus, la configuration est très sensible aux facteurs externes perturbateurs, ce qui signifie qu’il ne faut pas beaucoup d’efforts pour supprimer les interférences.
« L’idée de base de notre nouvelle méthode est que nous utilisons des facteurs perturbateurs ciblés pour activer et désactiver très rapidement les interférences. C’est le principe sur lequel notre méthode d’obturation est basée, c’est pourquoi nous l’appelons « interference gating », explique le Dr Wagner. La position et la largeur de la « porte » déterminent le moment où les informations sont capturées et pendant combien de temps.
Grâce à cette technique, les physiciens de la TU Berlin ont réussi à augmenter la résolution temporelle du microscope électronique à transmission de quelques secondes à 25 nanosecondes (Ultramicroscopie, “Holographie électronique nanoseconde par déclenchement interférentiel”). Ce sont les échelles de temps des processus électroniques dans divers domaines, y compris les semi-conducteurs.
“Grâce à la méthode d’holographie électronique résolue en temps que nous avons développée, il est désormais possible de filmer les changements de potentiel dus au mouvement des électrons à travers des semi-conducteurs d’une taille de quelques nanomètres (un millionième de millimètre)”, ajoute le Dr Wagner.
