Study of Electron and Ion Emission by Intense THz Transient : Application to the Atom Probe Tomography

Les rayonnements térahertz (THz), caractérisés par des photons à faible énergie, sont devenus un outil prometteur pour déclencher des processus d’émission de charges. Les avancées récentes ont permis de générer des impulsions monocycliques THz de forte amplitude, avec des champs électriques de l’ordre de MV/cm, appliquées à des nanostructures, permettant l’émission d’électrons et l’évaporation d’ions. Ces capacités ouvrent de nouvelles perspectives pour améliorer les techniques d’analyse des matériaux, en particulier en tomographie par sonde atomique (APT), en augmentant la résolution et la précision.Ce travail étudie la physique de l’évaporation de surface induite par des impulsions THz à travers des simulations numériques et des expériences. L’étude numérique a exploré la dynamique des ions et des électrons, en mettant en évidence l’influence de paramètres des impulsions THz tels que l’amplitude et la phase. Expérimentalement, des transitoires THz monocycliques, combinés à une tension de polarisation statique, ont été appliqués à des pointes nanométriques d’hexaborure de lanthane (LaB6), validant les prédictions numériques et démontrant que les impulsions THz agissent comme des impulsions électriques ultra-courtes. Une analyse comparative de l’APT utilisant un laser NIR femtoseconde et des impulsions THz a montré que le rayonnement THz augmentait les états de charge des ions et améliorait la détection du bore.L’étude a également exploré l’APT assistée par THz pour des matériaux à faible densité de porteurs libres, tels que les semi-conducteurs et les oxydes. Des analyses approfondies du germanium, du silicium, de l’oxyde de magnésium (MgO) et de l’oxyde de zinc (ZnO) ont révélé des défis et des comportements distincts. Des facteurs comme la faible conductivité, les défauts induits par FIB et les effets de barrière de Schottky ont significativement influencé la dynamique d’émission. Malgré ces défis, les impulsions THz ont réussi à déclencher l’évaporation de surface dans ces matériaux, tout en soulignant la nécessité d’optimiser les conditions expérimentales et les techniques de préparation deséchantillons.