New experiment for understanding the physical mechanisms of ultrafast laser-induced electron emission from novel metallic nanotips

• Main Author: Bionta, Mina
• Other Authors: Toulouse 3
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: Nanopointe; Photoémission; Laser femtoseconde; Nanotechnologie; Nanotip; Photoemission; Femtosecond laser; Nanotechnology
• Online Access: http://www.theses.fr/2015TOU30220/document

Cette thèse étudie l'interaction de nanopointes avec des impulsions laser ultracourtes pour observer l'émission photo-assistée d'électrons. Plusieurs mécanismes physiques entrent en jeu, chacun ayant une signature unique identifiable dans le spectre d'énergie des électrons. Nous avons développé une nouvelle expérience pour observer et identifier ces mécanismes d'émission. Ceci inclut le développement complet d'un système laser flexible (notamment un amplificateur optique non colinéaire (NOPA) haute cadence), une chambre ultra-vide avec détecteur d'électrons (mesure de spectre d'électrons et carte 2D de l'émission) et un dispositif de nanopositionnement de la pointe dans le foyer du laser, et enfin la fabrication et caractérisation de pointes diverses (en collaboration avec les laboratoires CEMES (Toulouse) et GPM (Rouen)). Nous avons observé l'émission photo-induite d'électrons à partir de nanopointes de différents matériaux (tungstène, argent, et une nouvelle pointe formée autour d'un nanotube de carbone unique). Nous avons confirmé l'observation de pics ATP (signature de la photoémission au dessus du seuil) sur une pointe de tungstène. Nous avons détecté la première émission induite par laser à partir de nanocône de carbone unique. Enfin, nous avons observé un plateau dans le spectre d'énergie des électrons d'une pointe d'argent, signature de la recollision et rediffusion des électrons sur la pointe. Pour identifier et caractériser ces mécanismes, des études variées ont été faites en fonction de la tension appliquée sur la pointe, du taux de répétition du laser, de sa polarisation, de sa puissance et de sa longueur d'onde. En étudiant la forme du spectre des photoélectrons, nous avons pu extraire des informations sur l'interaction: le facteur d'amplification du champ laser proche de la nanopointe et la probabilité d'absorption d'un photon au dessus du seuil. === This thesis concerns the interaction of a sharp nanotip with an ultrashort laser pulse for the observation of emission of photoelectrons. An electron can be emitted from a sharp nanotip system by many different mechanisms. Each mechanism gives a unique signature that can be identified by the photoelectron energy spectrum. We developed a new experiment to observe and identify these emission mechanisms. This consists of a flexible laser system (including the development of a high repetition rate, variable repetition rate noncollinear optical parametric amplifier (NOPA)), ultra high vacuum chamber, electron detector (electron spectrometer with 2D resolution), nanopositioning of a sharp nanotip in the focus of the laser, and fabrication of these nanotip samples in a variety of materials (in collaboration with CEMES (Toulouse) and GPM (Rouen)). We observed the emission of photoelectrons from various nanotips based on different materials: tungsten, silver, and a new type of carbon-based nanotip formed around a single carbon nanotube. We confirm the observation of above threshold photoemission (ATP) peaks from a tungsten nanotip. We detected the first laser induced electron emission from a carbon cone based on a single carbon nanotube. We observed a plateau in the electron spectra from a silver nanotip, the signature of electron recollision and rescattering in the tip. Various studies were performed in function of the voltage applied, repetition rate of the laser, laser polarization, energy and wavelength of the laser in order to understand these phenomena. From spectral features we were able to extract information about the system such as the enhancement factor of the laser electric field near the nanotip and the probability of above threshold photon absorption. Comparisons of the various spectra observed allowed us to spectrally identify the mechanisms for photoemission for tip based systems.