Riassunto analitico
La funzione d’onda degli elettroni in un microscopio elettronico è molto simile a quella di fotoni in un raggio laser. Non sorprende quindi che, fin dallo sviluppo dell’olografia elettronica, il microscopio elettronico in trasmissione (TEM) si sia affermato come il banco elettroottico più adatto per lo studio e la manipolazione dell’informazione della fase delle onde elettroniche. Più di recente, tecniche basate sulla nanofabbricazione di maschere di fase, quali l’olografia elettronica sintetica e la strutturazione di fasci elettronici, hanno offerto metodi versatili per un controllo più preciso della fase del fascio elettronico. In particolare, tra i risultati della strutturazione di fasci elettronici, i vortici elettronici, ossia fasci che trasportano quanti di momento angolare orbitale (OAM), sono di grande interesse in quanto sono caratterizzati da un momento magnetico e hanno potenziali applicazioni nella rivelazione di campi magnetici. Allo stesso tempo, le tecniche di strutturazione di fasci elettronici possono anche essere utilizzate per misurare lo spettro dell’OAM di un fascio arbitrario. Lo scopo di questo lavoro è quello di esplorare le potenzialità della strutturazione olografica di fasci elettronici e di fornire nuovi strumenti per il controllo dell’informazione della fase di un fascio elettronico, così da espandere ulteriormente il campo di informazioni che un TEM è in grado di estrarre da un campione.
Nella mia tesi ho esplorato le capacità del fascio ionico focalizzato (FIB) per la fabbricazione di ologrammi, ossia maschere di fase, con particolare attenzione ai parametri di fabbricazione e alla loro ottimizzazione per ottenere maschere di fase efficienti in grado di strutturare l’informazione di intensità e fase di un fascio elettronico a seconda di specifiche necessità. Nella prima parte di questa tesi, ho presentato la letteratura del campo della strutturazione di fasci elettronici, con riferimento ai principali risultati teorici e sperimentali fino allo stato dell’arte attuale. In questa parte, ho anche spiegato tutte le procedure sperimentali che ho utilizzato riguardo il TEM e il FIB, e presentato risultati preliminari per la loro ottimizzazione. Nella seconda parte, ho presentato I miei risultati di ricerca originali. Nel primo articolo presentato, ho usato tecniche di misura convenzionali come la microscopia di Lorentz e l’olografia elettronica fuori asse per analizzare nanostrutture magnetiche. Quindi, nel secondo lavoro, ho esplorato i parametri di fabbricazione del FIB che migliorano la qualità di fabbricazione delle maschere di fase. Negli articoli successivi sono presentate diverse applicazioni delle maschere di fase nanofabbricate, in cui ho svolto la fabbricazione al FIB e parte del lavoro sperimentale al TEM. Queste applicazioni includono: 1) fabbricazione di un correttore olografico per l’aberrazione sferica della lente principale nel TEM a scansione, 2) generazione di modi gaussiani di ordine superiore (ad esempio, fasci di Laguerre-Gauss), 3) generazione di fasci elettronici caratterizzati da grande OAM, 4) la creazione di una nuova idea di olografia in diffrazione per il recupero dell’informazione di fase nel piano di diffrazione, 5) la creazione di uno spettrometro di OAM per la misura della decomposizione in OAM del fascio elettronico, e 6) l’osservazione di campi magnetici alla nanoscala mediante fasci aventi OAM.
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Abstract
The wavefunction of the electrons in the electron microscope bear large similarity to that of photons in a laser beam. It is therefore not surprising that since the development of electron holography (EH), the transmission electron microscope (TEM) has proved to be the most suitable electro-optical bench for the study and the manipulation of the phase information of electron waves. More recently, techniques based on nanofabricated phase masks, like synthetic EH and electron beam shaping, have provided versatile ways for a more precise control of the electron wave phase. In particular, among the results of beam shaping, electron vortex beams, namely beams carrying quanta of orbital angular momentum (OAM), are of great interest as they also carry a magnetic moment and have potential application in magnetic field sensing. At the same time, beam shaping techniques can also be used to measure the OAM spectrum of an arbitrary beam. The aim of this work is to explore holographic beam shaping potentialities and to provide new tools for controlling the phase information of an electron beam, in order to further expand the range of information that a TEM can extract from a sample.
In my thesis I explored the capabilities of focused ion beam (FIB) for the fabrication of holograms i.e. phase masks, with particular attention to the fabrication parameters and their optimization for obtaining efficient phase masks capable of shaping the electron beam intensity and phase information upon specific needs. In the first part of this thesis, I presented the literature of the field of electron beam shaping, with reference to the main theoretical and experimental results up to the current state of the art. In this part, I also explained all the experimental procedures I utilised regarding TEM and FIB, and presented preliminary results for their optimisation. In the second part, I presented my original research results. In the first presented paper, I used conventional measurement techniques like Lorentz TEM and off-axis EH to study magnetic nanostructures. Then, in the second work, I explored the FIB fabrication parameters that enhance the fabrication quality of phase masks. In the successive papers, different applications of nanofabricated phase masks are presented, where I carried out the FIB fabrication and part of the TEM experimental work. These applications include: 1) the fabrication of an holographic corrector for the main lens spherical aberration in scanning TEM, 2) generation of high-order Gaussian modes (e.g. Laguerre Gaussian beams), 3) generation of large OAM electron beams, 4) the creation of a new idea of diffraction holography for the phase retrieval in the diffraction plane, 5) the creation of an OAM spectrometer for the measurement of the OAM decomposition of an electron beam, and 6) the observation of nanoscale magnetic fields using beams carrying OAM.
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