SONA : SOurce d’électrons ultra-froids pour NAnofonctionalisation

1. SONA : SOurce d’électrons ultra-froids pour NAnofonctionalisation Daniel Comparat Laboratoire Aimé Cotton, CNRS, UPR3321, Bât. 505, Univ Paris-Sud, Orsay, 91405 FRANCE

2. 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 + GuyveKhalili, 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

3. 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 LACà 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’ISMOpour 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.

4. Sources d’electrons • Technologies actuelles • Thermionic (LaB6) • Photocathode • Cold emission • Plasma • Limitations: • Dispersion d’énergie ∆E=0.3eV • Limite la focalisation à faible énergie cinétique du jet: (10µm)x(∆E/E)

5. e-beamassistedlithography – spatial structuration Development of molecular platforms for chemical or biological devices Response 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) Eck Adv. Mater. 2000 Turchanin Adv. Mater. 2008 At low energy (~50-100 eV) Electron irradiation through masks Micrometer scale (2 mm) Gölzhäuser Adv. Mat. 2001 Ballav Angew. Chem. 2008

6. Point source / colimated source • Brightness • Br = I/(AWE) : amount of current in a spot Ions + Small area A Coulomb explosion Large W, DE ~1eV - + Want small A, small W I ~ 1 nA A ~ 100 nm2 E ~ 1-105eVDE ~1eV • New: Conventional sources LARGE SOURCE Electrons - Large area A ~ 1 mm2 No Coulomb explosion Small W, DE ~1 meV Needs: Mono-Energy (∆E < 0.1 eV) spectroscopy-chemistry-focus

7. Proposal for ultracoldelectron sources • Pulsedextraction 1MV/cm in 1ns • B > 109A.rad-2m-2 V-1 Claessens BJ, van der Geer SB, Taban G, Vredenbregt EJ, Luiten OJ. PRL 95, 164801 (2005)  e- diffraction, FEL oraccelerator input

8. Example on lowenergy dispersion Eindhoven (E. Vredenbregt) Rb MOT: electron pulse PRL 105, 034802 (2010) ~30µm 1nA Eacc differential voltage problem: DU < 0.02 eV (ultimateTion> 10 K) BeamEnergy as low as 1 eV Coulomb explosion

9. Limitations • Low flux wellbellow 1nA • MOT ~ 107-109atoms/s  I < 1nA • Better to use atomicbeams • 2D-MOT ~ 109-1011  I < 10nA • atomicbeams ~ up to 1014  I < 1µA • Pulsedbehaviour (advantage to playwith time dependentfields) • Directlyionizeatoms (need lots of laser power  pulsed laser) • UltraCold Plasma formation NIST PRL 83, 4776 (1999) • Better to use Rydberg atomsOur PRL 85 4466 (2000) • Needs typically 10 000 lower laser power  CW laser possible • Possibility to solve the differential voltage problem ?

10. 6 To ISMO Electron source: Coldjet V0 V0 0 5 Field Ionization Extraction 1 Beam Creation 4 Laser excitation to Rydberg state 3 2D-Mot: Beam Compression 2 Optical Molasses: Beam Collimation

11. - 2D cesium MOT • Flux ~ 1010 - 1011atoms/s => up to 10nA current • Flexible setup, to beconnected to existingexperiments • Controlledbreaking of molecular bonds (ISMO) • Electron EnergyLossSpectroscopy + Microscope (LPS, A. Gloter) The electron source Optical fibers Laser setup + Control electronics Host experiment 2D-MOT + Electron optics UHV

12. Current 1 nA E > 1kV/cm (waist >10µm)  DV = E*waist > 1 Volt TOO HIGH!!! 4. Ionization: excitation to Rydberg state • Our experiment: Field ionization of Rydberg atoms • 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 Previousexperiments: Nearthreshold laser ionization n~30

13. Theoreticalstudy: focusing General Particle Tracer® 10pA e-current 8 eV Beam DE < 10 meVFocused on ~ (10 nm)2 equivalent to 105 µA on (1mm)2 >103 times that of a standard gun limitedspace charge effects: DE ~ 16 meV/nA

14. System(s) proposed for validation Self-AssembledMonolayers (SAMs) – Thiols on gold TPT – Terphenylthiol HS-(C6H4)2-C6H5 / Au Improved stability by irradiation induced cross-linking  Resonant process at 6 eVleading to sp2→ sp3 conversion 11-mercaptoundecanoicacid HS-(CH2)10-COOH -COOH = chemical anchor for DNA and protein immobilization  Resonant process at 1 eVleading –COOH → –C–O–C– 4-mercaptobenzoic acid HS-(C6H4)-COOH

15. Towards layer by layer chemistry – Irradiation strategy Sub-Excitation Region 0 E (eV) E1 (M- )* (10-12-10-16 s) electron attachment • Resonant, efficient, selectivite (functional group / site) •  TuningE(e-) for successive Dissociative Electron Attachement • Controlledchemistryby efficient formation of primaryreactive species, or by activation of molecular sites • Develop low energy electron irradiation strategies leading to controlled layer by layer chemical modifications of the SAM 9eV 1eV Deposited molecular film 6eV Terminal group Aromatic Alkyl spacer S Au (Arrandee)

16. 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 10k€ pour l’achat du laser d’ionisation (770nm) et 10k€ pour la modification de l’enceinte à vide de l’ISMO.

17. 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)