• EBL
• Electron Holography
• FIB
• Measure OAM
• Nanofabrication

In this thesis I present my M. Sc. final work that I performed in the group of Prof. Stefano Frabboni and Vincenzo Grillo at the University of Modena and Reggio Emilia (UNIMORE).

The field of research is Electron Holography and in particular the nanofabrication of Transmission Electron Microscope (TEM) devices designed to modify the phase of electron beams in order to manipulate and measure the Orbital Angular Momentum (OAM).

The capability to study the change in the phase distribution of an electron beam after it has travelled through a specimen, for example with interferometric techniques, provides information on the distribution of local electromagnetic potentials. This is particularly interesting to detect magnetic properties of nanoparticles and molecules. In particular the OAM, which is strictly related to the wave front of the beam, carries high degree of information.

The excitation of a sample with a phase-structured beam allows the direct study of particular and exotic effect such as transition radiation and Landau states dynamics in real space.
Shaping the phase of an electron beam in the correct way is a very critical point and requires nanometric features that are typically produced by a Focused Ion Beam and Electron Beam Litography. Such techniques are fundamental to fabricate devices able to detect and measure the phase of that beams.

A challenging issue is the measuring of the OAM since it is not straightforwardly amenable to an intensity measure. In fact, such quantity lies in the wavefunction in the form of exp(ilp) where l and p are the OAM quantum number and the azimuthal angle respectively: such exponential form when squared (to give intensity) becomes one for any value of p and any information is lost. This is the well-known phase problem common to many techniques.

Up to now several methods have been proposed to measure the OAM of an electron beam, including for example magnetic “monopole” able to impart the beam an l OAM value: electrons carrying an opposite -l become Gaussian-shaped while the others acquire a phase. Measuring the fraction of the Gaussian component provides the initial percentage of structured vortex beam. This method presents many disadvantages including the necessary presence of a number of devices equal to the components of l that have to be measured and the unsuitableness for large values of OAM.

Following the idea of the optical counterpart the concept of sorter has been introduced for electron beams: the basic idea is to change the wavefront in such a way to separate efficiently the different components of OAM so that an intensity peak is recorded for each of them.

The aim of this thesis is the improvement of such method
My work was focused on the optimization of the fabrication process exploiting characterisation techniques such as Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS).
Besides, the Electron Beam Litography process involved the use of a Plasma chamber for the etching of the sample and all the steps typical of litography such as spinning, developing and removing the resist. The choice of the resists and the control of the parameters provided by the datasheets was another important part of the work in order to optimize the whole process.

With the FIB I fabricated both the two component of the measuring system, the '' Sorter 1'' and the Sorter 2.

I exploited EBL to optimize the second component, the Sorter 2.
The main progress with respect to the state-of-the-art results is a new configuration based on a Sorter 1called ''Fan-out'' which is aimed to separate efficiently the various diffractive orders and, in this way, to increase the resolution of the system.

Our group is planning to publish the results related to this device which has already proven to be the most efficient at the moment.

In questa tesi presento il lavoro finale relativo alla laurea magistrale in Fisica, svolto nel gruppo del Prof. Stefano Frabboni e Vincenzo Grillo presso l'Università di Modena e Reggio Emilia (UNIMORE). Il campo di ricerca è l'olografia elettronica, in particolare la nanofabbricazione di dispositivi da inserire in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) progettati per modificare la fase dei fasci di elettroni e misurare il momento angolare orbitale (OAM). Studiare il cambiamento nella distribuzione di fase di un fascio di elettroni dopo che esso ha attraversato un campione, ad esempio con tecniche interferometriche, fornisce informazioni sulla distribuzione di potenziali elettromagnetici locali. Questo è specialmente interessante per rilevare proprietà magnetiche di nanoparticelle e molecole. In particolare, l’OAM, che è strettamente correlato al fronte d'onda del raggio, racchiude un alto grado di informazione. Modellare la fase di un fascio di elettroni nel modo corretto è un punto molto critico e richiede strutture superficiali nanometriche tipicamente prodotte da un fascio di ioni focalizzato (FIB) o tramite litografia elettronica (EBL). Tali tecniche sono fondamentali per fabbricare dispositivi in grado di rilevare e misurare la fase di tali fasci. La misurazione dell’OAM risulta critica poiché non è facilmente rilevabile da una misura di intensità. Infatti, tale quantità si trova nella funzione d'onda dell’elettrone nella forma di exp (i l p) dove l e p sono rispettivamente il numero quantico di OAM e l'angolo azimutale: tale forma esponenziale, elevata al quadrato (per ottenere l’intensità) risulta essere uno per qualsiasi valore di p. Questo è il noto problema della fase comune a molte tecniche. Fino ad ora sono stati proposti diversi metodi per misurare l'OAM di un fascio di elettroni, incluso ad esempio l’utilizzo di un "monopolo" magnetico in grado di impartire un valore l di OAM al fascio: gli elettroni che trasportano un l opposto acquisiscono una forma gaussiana mentre gli altri guadagnano una fase. Misurare la frazione del componente gaussiano fornisce la percentuale iniziale del fascio di vortici strutturati. Questo metodo presenta molti svantaggi incluse la presenza necessaria di un numero di dispositivi uguale alle componenti di l da misurare e l'inadeguatezza per grandi valori di OAM. Seguendo l'idea della controparte ottica, il concetto di sorter è stato introdotto per i fasci di elettroni: il concetto di base è modificare il fronte d'onda in modo tale da separare in modo efficiente i diversi componenti di OAM misurabili come picchi di intensità risolti in spazio. Il mio lavoro è stato focalizzato sull'ottimizzazione del processo di fabbricazione sfruttando tecniche di caratterizzazione come la Microscopia Elettronica a Scansione (SEM), la Microscopia a Forza Atomica (AFM) e la Spettroscopia Elettronica di Perdita di Energia (EELS). Inoltre, il processo di Litografia Elettronica ha previsto l'utilizzo di una camera al plasma per l'incisione del campione e tutti i passaggi tipici della litografia come lo spinning, lo sviluppo e la rimozione del resist. La scelta dei resist ed il controllo dei parametri forniti dai datasheet è stata un'altra parte importante del lavoro al fine di ottimizzare l'intero processo. Con il FIB ho fabbricato i due componenti del sistema di misurazione, il '' Sorter 1 '' ed il “Sorter 2” mentre l’EBL è stata utilizzata per ottimizzare il secondo componente (Sorter 2). Il progresso principale rispetto ai risultati attuali è una nuova configurazione basata su un Sorter 1 chiamato ''Fan-out '' che ha lo scopo di separare in modo efficiente i vari ordini di diffrazione e, in questo modo, di aumentare la risoluzione del sistema. Il nostro gruppo sta pianificando di pubblicare i risultati relativi a questo dispositivo che si è già dimostrato essere il più efficiente al momento.