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Une technique standard reconvertie pour une utilisation en optique à l’échelle nanométrique

La microscopie électronique utilise des faisceaux d’électrons pour obtenir des images des structures à l’échelle du nanomètre. Comprendre le comportement de la lumière à ce niveau est primordial pour les recherches à venir sur les matériaux optiques, pour faire progresser l’imagerie et le développement de dispositifs optoélectroniques, notamment les cellules solaires et les technologies liées à l’information quantique.

Recherche fondamentale
Santé

La cathodoluminescence (CL) est un phénomène physique qui a été observé pour la première fois dans les années 1960: lorsqu’un matériau est frappé par un faisceau d’électrons, il émet de la lumière. Historiquement, la CL était utilisée dans les téléviseurs à tube cathodique pour générer des images, et par les géologues pour caractériser les minéraux.

Un nouveau microscope électronique basé sur la CL

Les scientifiques du projet SCEON, financé par le Conseil européen de la recherche (CER), ont combiné les propriétés de la spectroscopie CL et de l’imagerie par microscopie électronique pour créer un système CL novateur. Dans la spectroscopie CL, la lumière émise par les structures lorsqu’elles interagissent avec les électrons est collectée et analysée, offrant ainsi des informations optiques fonctionnelles. «Notre objectif était de combiner les avantages de la microscopie électronique et de l’imagerie optique dans un nouveau système unique au monde», explique Albert Polman, bénéficiaire de la subvention du CER et chercheur principal. La CL fournit des informations sur l’interaction de la lumière et de la matière et, comme elle utilise des électrons, sa résolution est à l’échelle du nanomètre. Le système SCEON CL fonctionne en collectant les photons émis par l’échantillon bombardé d’électrons à travers un miroir parabolique. Cela augmente l’efficacité de la collecte de la lumière par les nanostructures et permet également de réaliser des mesures sur des échantillons à faible émission lumineuse comme les métaux. Par ailleurs, la technologie SCEON présente de nombreuses applications pratiques en géologie, en métrologie des semi-conducteurs et en fabrication de matériaux photovoltaïques, améliorant les performances des dispositifs émetteurs de lumière et des cellules solaires. La manipulation de sources de photons uniques à l’aide du système CL permettra également de poursuivre le développement des technologies d’information quantique. En outre, le système SCEON CL facilitera l’analyse du comportement dans le temps de la lumière émise à l’échelle nanométrique. Les scientifiques ont ainsi la possibilité d’étudier les phénomènes physiques sous-jacents à cette petite échelle et de répondre aux questions fondamentales liées à l’interaction des électrons avec les nanostructures. L’utilisation d’impulsions électroniques confère au système SCEON CL la capacité de fournir de nouvelles informations sur la dynamique de l’excitation des électrons et de la lumière, dans la mesure où le dispositif permet une résolution temporelle. Un large éventail de résultats intéressants a été obtenu grâce aux analyses réalisées au microscope SCEON CL, notamment l’étude de l’émission de lumière dans différentes nanostructures. Les chercheurs ont également pu déterminer l’efficacité d’émissions à très haute résolution spatiale des semi-conducteurs utilisés dans les cellules solaires, et étudier les interactions entre les impulsions laser et électroniques ultra rapides induites par les nanostructures métalliques.

Perspectives d’avenir pour le microscope CL

Les microscopes CL ont été développés en collaboration avec AMOLF, Thermo Fisher et Delmic, qui ont mis sur le marché la première version commerciale de cet instrument en 2014. Le microscope CL a également reçu le prix «Innovation and Materials Characterization Award» remis par la MRS (Materials Research Society). «Nous avons reçu la subvention Proof of Concept du CER pour SCEON afin de développer une version commerciale et “table-top” de notre nouveau microscope, qui pourra potentiellement être utilisée par un large éventail d’utilisateurs», souligne Albert Polman. Depuis la première caractérisation du phénomène physique de CL, les chercheurs ont fait progresser la spectroscopie d’imagerie CL à des fins plus scientifiques. «Notre système offre la possibilité d’étudier pratiquement n’importe quel métal, semi-conducteur, matériau diélectrique ou nanostructure et de voir physiquement, très précisément dans l’espace, comment la lumière résonne dans ces matériaux, la direction dans laquelle elle est émise et la durée de ces interactions», poursuit Albert Polman. Comprendre comment les électrons à grande vitesse interagissent avec les nanostructures aidera à concevoir et à mettre en œuvre des systèmes photovoltaïques, des circuits optoélectroniques miniatures et des diodes électroluminescentes moins chers et plus efficaces.

Mots‑clés

SCEON, cathodoluminescence (CL), microscope électronique, spectroscopie, nanostructure, cellule solaire, photovoltaïque

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