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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 : - PowerPoint PPT Presentation
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SONA : SOurce d’électrons ultra-froids pour NAnofonctionalisation
Daniel ComparatLaboratoire 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 recherchePierre Pillet, Directeur de rechercheYoann 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 annoncéLe 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 10k€ LAC pour l’achat du laser d’ionisation (770nm).10k€ 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 (LaB6)• Photocathode • Cold emission• Plasma
Eck Adv. Mater. 2000Turchanin Adv. Mater. 2008
e- beam assisted lithography – spatial structuration
Gölzhäuser Adv. Mat. 2001Ballav Angew. Chem. 2008
Development of molecular platforms for chemical or biological devicesResponse to irradiation (standard probing techniques & lithography) of resist materials (contrast, sensitivity, defects) 2nd 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 masksMicrometer scale (2 mm)
Point source / colimated source
Want small A, small WI ~ 1 nA A ~ 100 nm2 E ~ 1-105 eV DE ~1eV
Needs: Mono-Energy (∆E < 0.1 eV) spectroscopy-chemistry-focus
Brightness Br = I/(AWE) : amount of current in a spot
New:
Small area A
Coulomb explosion
Large W, DE ~1eV
Ions +Electrons -
Conventional sources
Large area A ~ 1 mm2
No Coulomb explosion
Small W, DE ~1 meV
- +LARGE SOURCE
Proposal for ultracold electron sources
Pulsed extraction 1MV/cm in 1ns
B > 109 A.rad-2m-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 mKAtom Number 10 9 (/s)
DU < 0.02 eV (ultimate Tion > 10 K)
Beam Energy as low as 1 eV
Eacc
Coulomb explosion
1nA
differential voltage problem:
~30µm
Example on low energy dispersion
Eindhoven (E. Vredenbregt) Rb MOT: electron pulsePRL 105, 034802 (2010)
LimitationsLow flux well bellow 1nA
MOT ~ 107-109 atoms/s I < 1nA
Better to use atomic beams
2D-MOT ~ 109-1011 I < 10nA atomic beams ~ up to 1014 I < 1µA
Pulsed behaviour (advantage to play with time dependent fields)
• Directly ionize atoms (need lots of laser power pulsed laser)
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 possiblePossibility to solve the differential voltage problem ?
Electron source: Coldjet
V0 V0 0
1Beam Creation
2Optical Molasses:Beam Collimation
32D-Mot:
Beam Compression
4Laser excitation to Rydberg state
5Field
IonizationExtraction
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) 1013 1013 1013 1012
Diameter (mm) 1 8 0.2-1 0.2-1
The electron source- 2D cesium MOT- Flux ~ 1010 - 1011 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 opticsHost experimentUHV
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 > 1kV/cm
(waist >10µm) DV = E*waist > 1 Volt
TOO HIGH!!!
Rydberg atoms field ionized at a given electric field E = 1 /16n4 Ionization at a given position No differential voltage problem
Better excitation efficiency (sexc/sion = 104 for n=30)
Choice of the extraction field (n-dependent) with reduction of space charge effects
n~30
Theoretical study: focusing
8 eV Beam DE < 10 meV Focused on ~ (10 nm)2
equivalent to 105 µA on (1mm)2
>103 times that of a standard gun
10pA e- currentGeneral Particle Tracer®
limited space charge effects: DE ~ 16 meV/nA
System(s) proposed for validationSelf-Assembled Monolayers (SAMs) – Thiols on gold
TPT – Terphenylthiol HS-(C6H4)2-C6H5 / AuImproved stability by irradiation induced cross-linking
Resonant process at 6 eV leading to sp2 → sp3 conversion11-mercaptoundecanoic acid HS-(CH2)10-COOH
-COOH = chemical anchor for DNA and protein immobilization Resonant process at 1 eV leading –COOH → –C–O–C–4-mercaptobenzoic acid HS-(C6H4)-COOH
Gold arrandee20-35 K or RT
ESD (N, I+/-)HREELS
e-E < 25 eV
1015-1017 e-
Gold arrandee20-35 K or RT
ESD (N, I+/-)HREELS
e-E < 25 eV
1015-1017 e-
SubstrateAu, Ag, Pt, Cu, Cr,GaAs, SiO2, TiO2
Terminal group
“head”5-30
Å
~20 Å2/thiolate
Modulation of surface properties
Lithography- Masks- Focalized beams
Towards layer by layer chemistry – Irradiation strategy
E10 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
spac
er
S Arom
atic
Alky
l
1eV
6eV
Deposited molecular film
9eV
But annoncéLe 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 10k€ pour l’achat du laser d’ionisation (770nm) et 10k€ 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:10k€ pour l’achat du laser d’ionisation (770nm). Moglabs 9k€ pour la modification de l’enceinte à vide de l’ISMO (c/
Pfeiffer): pompes à vide (pompage différentiel) composants (brides d’adaptation) 1k€ Diverses optiques (Thorlabs)