Návrh zdroje ultrakrátkých elektronových pulsů v rastrovacím elektronovém mikroskopu

Abstract

Ultrarychlá elektronová mikroskopie kombinuje vysoké prostorové rozlišení konvenční elektronové mikroskopie s detailním časovým rozlišením, čímž umožňuje sledovat extrémně rychlé dynamické procesy v materiálech. Tato technika využívá stroboskopická měření založená na velmi krátkých elektronových pulzech synchronizovaných s externí stimulací vzorku. Přestože nejmodernější sestavy nabízejí femtosekundové až attosekundové rozlišení, tato měření jsou převážně prováděna na transmisních elektronových mikroskopech, které jsou však velmi drahé a neumožňují studium objemových vzorků. Tato diplomová práce se zabývá možností realizace dostupnějšího ultrarychlého rastrovacího elektronového mikroskopu a to úpravou komerčně dostupného rastrovacího elektronového mikroskopu. Konkrétně se jednalo o návrh a realizaci úprav kontinuálního standardního zdroje elektronů na zdroj schopný generovat ultrakrátké elektronové pulzy pomocí procesu fotoemise, iniciované femtosekundovým laserem. Práce zahrnovala návrh a realizaci konstrukčních změn funkčního rastrovacího elektronového mikroskopu, sestavení optické dráhy laserového svazku a zprovoznění celého systému. Funkčnost modifikovaného mikroskopu byla úspěšně ověřena prostřednictvím prvních experimentálních měření, při kterých byla demonstrována generace ultrakrátkých elektronových pulzů. Výsledky diplomové práce tak představují základní krok ve vývoji ultrarychlého rastrovacího elektronového mikroskopu na CEITEC Nano VUT.

Ultrafast electron microscopy combines the high spatial resolution of conventional electron microscopy with detailed temporal resolution, allowing extremely fast dynamic processes in materials to be observed. This technique uses stroboscopic measurements based on very short electron pulses synchronized with external stimulation of the sample. Although state-of-the-art set-ups offer femtosecond to attosecond resolution, these measurements are mostly performed on transmission electron microscopes, which are very expensive and do not allow the study of bulk samples. This thesis examines the possibility of realizing a more affordable ultrafast scanning electron microscope by modifying a commercially available scanning electron microscope. Specifically, this involved the design and implementation of a modification of a continuous standard electron source to one capable of generating ultrashort electron pulses through a photoemission process initiated by a femtosecond laser. The work included the design and implementation of structural modifications to the functional scanning electron microscope, the assembly of the optical path of the laser beam and the commissioning of the entire system. The functionality of the modified microscope was successfully verified through the first experimental measurements, which demonstrated the generation of ultrashort electron pulses. The results of the thesis thus represent a fundamental step in the development of the ultrafast scanning electron microscope at CEITEC Nano BUT.