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 , ~1W DE eV

Ions +

Electrons -

Conventional sources

Large area A ~ 1 mm2

No Coulomb explosion

Small , W ~1 DE 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 mK

Atom 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)

Limitations

Low 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 eV1015-1017 e-

Gold arrandee20-35 K or RT

ESD (N, I+/-)HREELS

e-

E < 25 eV1015-1017 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

Aro

mat

icA

lkyl

1eV6eV 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)