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Prix de la valorisation de l’université Paris Sud

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La onzième cérémonie de remise du Prix de la valorisation de l’Université Paris-Sud s’est déroulée jeudi 20 novembre 2014. M. Kociak, M. Tencé et M. Pelloux du LPS ont obtenu le second prix pour le projet « Nano-cathodoluminescence : Industrialisation d’un détecteur de cathodoluminescence haute performance pour microscope électronique en transmission ».

L’invention concerne un système d’acquisition de signaux de cathodoluminescence – c’est-à-dire l’émission de lumière par un matériau bombardé par des electrons- dans un microscope électronique en transmission à balayage (STEM). Un tel équipement permet d’obtenir des informations à la fois sur la structure (jusqu’à l’échelle de l’angström) et sur les propriétés optique (à l’échelle du nanomètre) du même nano-objet. Cette invention permet de réaliser des observations beaucoup plus précises et rapides que les technologies déjà existantes tout en étant simple d’utilisation et de maintenance. Les technologies de type diode électroluminescente, photovoltaïque et bio-imagerie sont des champs d’applications de ce projet.

Avec l’avènement de nanomatériaux, il est devenu possible de modifier et contrôler les propriétés optiques en structurant la matière à l’échelle de quelques nanomètres. Ce lien intime entre structure et propriétés optiques rend nécessaire le développement de techniques capables d’obtenir à la fois la structure et les propriétés optiques du même nanoobjet. La limite de diffraction obère en général l’utilisation de techniques optiques de champ lointain (microscopie optique), alors que les techniques de champs proches optiques sont souvent limitées à des applications niches.

La cathodoluminescence (CL) est une technique bien connue dans les microscopes à balayage électronique permettant, en récoltant la lumière émise par un solide irradié par un faisceau d’électrons focalisés, d’obtenir des informations optiques. Cependant, un grand nombre de limitations techniques et conceptuelles ont restreint l’utilisation de la CL pour les objets de tailles sous-longueur d’onde. Ces limitations concernent en particulier la médiocre résolution spatiale finalement obtenue (quelques microns ou centaines de microns en général), la forte influence du faisceau d’électrons sur les diagnostics (dégradation, chauffage, non-linéarité…), la lenteur des acquisitions, et la faiblesse des signaux collectés lorsque l’on cherche à obtenir une bonne résolution spectrale.

La solution mise en œuvre par l’invention primée remédie à l’essentiel de ces limitations. Il s’agit d’un accessoire de cathodoluminescence pour microscope électronique en transmission (STEM) et d’une électronique de balayage adaptée à l’imagerie hyperspectrale qui ont pour la première fois permis d’obtenir les longueurs d’onde d’émission d’objets uniques de taille inférieure à la dizaine d’angström séparés par quelques nanomètres les uns des autres. Cette nano-cathodoluminescence (nano-CL) a été depuis ses premiers succès en 2010 utilisée de façon routinière sur un STEM par plus d’une douzaine de personnes formées, et a fait l’objet d’une centaine de journées d’accès par des chercheurs de toutes nationalités.

Ses spécificités techniques uniques, plusieurs fois brevetées, combinées à une grande simplicité d’utilisation et de maintenance, ainsi qu’une grande robustesse et précision mécanique ont permis en effet de répondre à des questions originales dans de multiples champs scientifiques : optique de diverses hétérostructures ou nouveaux matériaux semi-conducteurs, nano-optique quantique, nano-plasmonique, imagerie biologique corrélative avec des champs d’applications potentiels dans divers domaines, en particulier les technologies de type diode électroluminescente, photovoltaïque et bio-imagerie.