Riassunto analitico
I fasci di elettroni a vortice (FEV) sono soluzioni dell'equazione onda elettronica nel vuoto, sono caratterizzati da un fronte d'onda a spirale e sono autostati di un momento angolare orbitale (OAM)lungo la direzione di propagazione. Sin dallaloro prima realizzazione sperimentale, i FEV hanno attirato l'attenzione della comunità della microscopia e molti studi hanno approfondito i loro aspetti teoricie sperimentali. Nel 2014 Grillo et al hanno introdotto un nuovo e metodo più efficiente per la generazione di EVB basato su ologrammi di fase.
Da allora molti gruppi hanno tentato di applicare da applicare i FEV e in generale ifasci elettronici innovativi in microscopia elettronica. Una delle sfide per le applicazioni e gli esperimenti di fisica fondamentale è quello di ottenere il maggior numero di quanti di OAM ma la fabbricazione tramite Focus IonBeam(FIB) pone alcuni limiti intrinseci che ho potuto superare utilizzando la litografia a fascio elettronico(EBL). Questa tecnica si è rivelata superiore al metodo FIB convenzionale in termini di risoluzione, qualità dello scavo e flessibilità. Nellamiatesi ho potuto generare FEV con OAMdi 1000ħgrazie a ologrammi di fase fatti con l’EBL.
I fasci FEV con grande OAM sono caratterizzati da un grande momento magnetico e possono produrre una forte interazione magnetica con i materiali quindi ci aspettiamo un grande interessein questo tipo di fasci in futuro.
Inoltre è stato dimostrato in questo modo il grande progresso nella olografia elettronica prodotto dall'introduzione dei primi ologrammi basati sull’ EBL. Questorisultato è stato ottenuto sperimentando diversi metodi di fabbricazione EBL e ottimizzando i diversiparametri. In particolare ho qui descritto l'uso di “resist” positivi e negativi, l'applicazione del ReactiveIonEtching (RIE), del processo di lift-off, il modo per ottimizzare la forma dell’ologrammae le differenti strategie per la preparazione della membrana olografica. Infine ho confrotato tra di loro le qualità deiFEVgenerati.
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Abstract
Electron vortex beams (EVBs) are solutions of the electron wave equation in vacuum characterized by a spiral wave front and are eigenstates of the orbital angular momentum (OAM) along the propagation direction. Since their first experimental realization, EVBs have attracted theattention of the microscopy community and many studies have delved them both theoretically and experimentally. In 2014 Grillo et al introduced a novel and more efficient method for the generation of EVB based on phase holograms.
Since then many groups are challenging to apply vortex beams and innovative beam shaping in electron microscopy. One of the challenges for applications and basic experiments is to get the largest number of quanta of OAM but the inherent fabrication in Focus Ion Beam poses some limits that I indeed could overcome by using Electron Beam Lithography. This technique proved to be superior to the conventional FIB method in terms of resolution, quality of the pattern and flexibility. In my thesis I could generate EVB with OAM equal to1000ħ based on EBL made phase holograms.
Large OAM vortex beams are characterized by a large magnetic moment and can produce a strong magnetic interaction with materials so we expect a large application for this kind of beams in future. Moreover it has been demonstrated in this way the large progress in electron holography produced by the introduction of the first EBL based holograms. This result has been obtained trying different approaches based on EBL and optimizing different parameters. In particular I have described the use of positive and negative resist, the application of reactive ion etching (RIE), lift-off process, the way to optimize the pattern and different strategies for the preparation of the hologram membrane. Finally I have compared the qualities of the generated EVBs.
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