SONA : SOurce - froids pour NAnofonctionalisation

unkindnesskindΠολεοδομικά Έργα

15 Νοε 2013 (πριν από 3 χρόνια και 8 μήνες)

113 εμφανίσεις

SONA

:
SOurce

d’électrons ultra
-
froids pour
NAnofonctionalisation

Daniel
Comparat

Laboratoire Aimé Cotton, CNRS, UPR3321,

Bât. 505,
Univ

Paris
-
Sud, Orsay, 91405 FRANCE

Equipes et/ou services impliqués :


Pour le LAC

:

Equipe

: Physique moléculaire et molécules froides

:

Gaz de Rydberg gelé et plasma ultra
-
froid
.


Daniel
Comparat
, Chargé de recherche


Pierre Pillet, Directeur de recherche


Yoann Bruneau +
Guyve

Khalili
, Doctorants





Pour l’ISMO

:

Equipe SIREN

: Surfaces propriétés, réactivités,
nanostructuration

:

Interaction électrons / molécules condensées, électrons / systèmes
chimisorbés



Anne Lafosse, Professeur



Roger
Azria
, Directeur de recherche



Lionel
Amiaud
, Maîtres de Conférences


Justine
Houplin
, Doctorante


But annoncé

Le

but

du

projet

est

de

finaliser

une

collaboration

entre

l’équipe

du

LAC

et

celle

de

l’ISMO

sur

l’utilisation

d’une

source

révolutionnaire

d’électrons

monocinétiques

de

basse

énergie

pour

la

nanofonctionalisation

de

molécules

sur

surface
.


La

source

sera

développée

au

LAC

à

partir

d’un

plasma

ultra
-
froid

obtenu

en

ionisant

des

atomes

de

césium

préalablement

refroidi

par

laser
.


Elle

sera

ensuite

déplacée

sur

le

site

de

l’ISMO

pour

y

être

couplée

à

une

expérience

existante
.

Le

but

premier

sera

de

confirmer

les

grandes

promesses

offertes

par

cette

source

à

savoir

une

focalisation,

et

donc

flux

d’électrons

par

molécule,

amélioré

d’un

facteur

1000

par

rapport

aux

sources

existantes
.



Le

financement

demandé

est

de


10
k


LAC

pour

l’achat

du

laser

d’ionisation

(
770
nm)
.

10
k


ISMO

pour

la

modification

de

l’enceinte

à

vide
.


Sources d’
electrons

Limitations:




Dispersion d’énergie
∆E=0.3eV





Limite la focalisation à faible énergie cinétique
du jet:
(10µm)x(∆E/E)




Technologies actuelles


Thermionic (LaB
6
)



Photocathode



Cold emission



Plasma

Eck Adv.
Mater. 2000

Turchanin
Adv.
Mater. 2008

e
-

beam

assisted

lithography



spatial structuration

Gölzhäuser Adv. Mat. 2001

Ballav Angew. Chem. 2008

Development of m
olecular platforms for chemical or biological devices

Response to irradiation (standard probing techniques & lithography) of
resist materials (contrast, sensitivity, defects)



2
nd

electrons contribution

Cyganik J.Phys.Chem.B 2005 Heister Langmuir 2000

At high energy (2
-
20 keV)

Electron microscope (EBL)

Nanometer scale (20
-
200 nm)

At low energy (~50
-
100 eV)

Electron irradiation through masks

Micrometer scale (
2
m
m)

Point source /
colimated

source


Want small A, small
W

I ~ 1
nA

A ~ 100 nm
2


E ~ 1
-
10
5

eV

D
E ~1eV

Needs:
Mono
-
Energy
(∆E < 0.1
eV
) spectroscopy
-
chemistry
-
focus

Brightness


B
r

= I/(A
W
E) : amount of current in a spot

New:

Small area A

Coulomb explosion

Large
W, DE ~1
eV



Ions +

Electrons
-

Conventional sources

Large area A ~ 1 mm
2


No Coulomb explosion


Small
W,
DE ~1
meV

-

+

LARGE SOURCE

Proposal

for
ultracold

electron

sources

Pulsed

extraction 1MV/cm in 1ns


B > 10
9

A.rad
-
2
m
-
2

V
-
1

Claessens

BJ, van
der

Geer SB,
Taban

G,
Vredenbregt

EJ,
Luiten

OJ.

PRL 95, 164801 (2005)


e
-

diffraction, FEL
or

accelerator

input

Rb


Magneto
-
Optical Trap

Values

Temperature

1
mK

Atom Number

10
9
(/s)

D
U < 0.02 eV
(
ultimate

T
ion

> 10 K
)

Beam

Energy

as
low

as 1 eV




E
acc

Coulomb explosion

1nA




differential voltage

problem:

~30µm

Example

on
low

energy

dispersion


Eindhoven
(E.
Vredenbregt
)

Rb MOT:
electron

pulse

PRL 105, 034802 (2010)

Limitations

Low

flux
well

bellow

1nA



MOT ~ 10
7
-
10
9

atoms
/s




I < 1nA


Better

to use
atomic

beams




2D
-
MOT ~ 10
9
-
10
11





I < 10nA



atomic

beams

~ up to 10
14



I < 1µA


Pulsed

behaviour

(
advantage

to
play

with

time
dependent

fields
)



Directly

ionize

atoms

(
need

lots of laser power


灵汳pd

污獥爩



UltraCold

Plasma formation
NIST
PRL 83, 4776 (1999)



Better

to use Rydberg
atoms

Our
PRL 85 4466 (2000)


Needs typically 10 000 lower laser power


CW laser possible

Possibility to solve the differential voltage problem ?






Electron source:
Coldjet

V
0

V
0

0

1

Beam
Creation

2

Optical
Molasses:

Beam Collimation

3

2D
-
Mot:

Beam Compression

4

Laser excitation
to
Rydberg

state

5

Field
Ionization

Extraction

6 To
ISMO

1

2

3

4
-
5

Longitudinale

speed(m/s)

300

300

300

300

Divergence (
mrad
)

27

0.3

0.3

0.3

Flux (at/s)

10
13

10
13

10
13

10
12

Diameter (mm)

1

8

0.2
-
1

0.2
-
1

The
electron

source

-

2D
cesium

MOT

-

Flux ~ 10
10

-

10
11

atoms
/s => up to 10nA
current

-

Flexible setup, to
be

connected

to
existing

experiments


-

Controlled

breaking

of
molecular

bonds (ISMO)

-

Electron
Energy

Loss

Spectroscopy

+ Microscope (LPS, A.
Gloter
)


Laser setup

+

Control
electronics

2D
-
MOT

+

Electron
optics

Host
experiment

UHV

Optical
fibers

4. Ionization: excitation to Rydberg state

Previous

experiments
:
Near

threshold

laser
ionization

Our
experiment
:
Field
ionization

of Rydberg
atoms

Current

1

nA



E

>

1
kV/cm

(waist

>
10
µm)



D
V

=

E*waist

>

1

Volt



TOO

HIGH!!!

Rydberg atoms field ionized

at a given electric field E = 1 /16n
4


Ionization at a given position



No differential voltage problem


Better excitation efficiency


(
s
exc
/
s
ion

= 10
4

for n=30)


Choice of the extraction field (n
-
dependent)
with reduction of space charge effects

n~30

Theoretical

study
:
focusing

8 eV
Beam



D
E < 10
meV

Focused

on ~ (10 nm)
2


equivalent

to 10
5

µA on (1mm)
2


>10
3

times
that

of a standard gun

10pA e
-

current

General
Particle

Tracer
®

limited

space

charge
effects
:
D
E ~ 16
meV
/
nA

System(s)
proposed

for validation

Self
-
Assembled

Monolayers

(
SAMs
)


Thiols on gold










TPT


Terphenylthiol

HS
-
(C
6
H
4
)
2
-
C
6
H
5

/ Au


Improved stability by irradiation induced cross
-
linking




Resonant process
at 6
eV

leading to sp
2



sp
3

conversion

11
-
mercaptoundecanoic

acid

HS
-
(CH
2
)
10
-
COOH


-
COOH = chemical anchor for DNA and protein immobilization




Resonant process
at 1
eV

leading

COOH


C

O

C


4
-
mercaptobenzoic acid
HS
-
(C
6
H
4
)
-
COOH

Gold
arrandee
20
-
35 K or RT
ESD
(N, I
+/
-
)
HREELS
e
-
E < 25 eV
10
15
-
10
17
e
-
Gold
arrandee
20
-
35 K or RT
ESD
(N, I
+/
-
)
HREELS
e
-
E < 25 eV
10
15
-
10
17
e
-
Substrate
Au, Ag, Pt, Cu, Cr,
GaAs, SiO
2
, TiO
2
Terminal group
“head”
5
-
30 Å
~20 Å
2
/thiolate
Modulation of
s
urface
properties
Lithography
-
Masks
-
Focalized beams
Towards layer by layer chemistry


Irradiation strategy

E
1

0

E (eV)

(M
-

)

*
(
10
-
12
-
10
-
16

s)
electron attachment

Sub
-
Excitation
Region

Resonant
, efficient,
selectivite

(
functional

group / site)



Tuning

E(e
-
)
for successive
Dissociative Electron Attachement



Controlled

chemistry

by efficient formation of
primary

reactive


species
, or by activation of
molecular

sites



Develop
low energy electron
irradiation strategies leading to controlled
layer by
layer

chemical
modifications of the SAM

Au
(
Arrandee
)

Terminal
group

S

1eV

6eV

Deposited molecular film

9eV


But annoncé

Le

but

du

projet

est

de

finaliser

une

collaboration

entre

l’équipe

du

LAC

et

celle

de

l’ISMO

sur

l’utilisation

d’une

source

révolutionnaire

d’électrons

monocinétiques

de

basse

énergie

pour

la

nanofonctionalisation

de

molécules

sur

surface
.


La

source

sera

développée

au

LAC

à

partir

d’un

plasma

ultra
-
froid

obtenu

en

ionisant

des

atomes

de

césium

préalablement

refroidi

par

laser
.


Elle

sera

ensuite

déplacée

sur

le

site

de

l’ISMO

pour

y

être

couplée

à

une

expérience

existante
.

Le

but

premier

sera

de

confirmer

les

grandes

promesses

offertes

par

cette

source

à

savoir

une

focalisation,

et

donc

flux

d’électron

par

molécule,

amélioré

d’un

facteur

1000

par

rapport

aux

sources

existantes
.


Le

financement

demandé

est

de


10
k


pour

l’achat

du

laser

d’ionisation

(
770
nm)

et


10
k


pour

la

modification

de

l’enceinte

à

vide

de

l’ISMO
.


But Réalisé

Collaboration

LAC
-
ISMO

toujours

en

cours
.



*

La

ionisation

de

la

source

est

prévue

avant

fin

2012
.


*

Elle

sera

ensuite

déplacée

sur

le

site

de

l’ISMO
.


Financement

LUMAT

utilisé
:

10
k


pour

l’achat

du

laser

d’ionisation

(
770
nm)
.

Moglabs


9
k


pour

la

modification

de

l’enceinte

à

vide

de

l’ISMO

(c/

Pfeiffer)
:

pompes

à

vide

(pompage

différentiel)






composants

(brides

d’adaptation)


1
k


Diverses

optiques

(
Thorlabs
)