Application des faisceaux d'ions focalisés à la création de centres NV du diamant. Caractérisation de ces faisceaux d'ions issus d'une source plasma.

Application of focused ion beams to the creation of NV centers in diamond. Characterization of these ion beams from a plasma source.

• Auteur / Autrice : Justine Renaud
• Direction : Jean-François Roch, Anne Delobbe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 24/06/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Pillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Pezzagna, Julien Barjon, Matthieu Viteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Berbezier, Khaled Karraï

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Énergie

Plasmas (gaz ionisés)

Ions -- Implantation

Mots clés libres

Source plasma

Faisceau d‘ions focalisés

Emittance

Dispersion en énergie

Centres NV

Implantation d'ions

Plasma source

Focused ion beam

Emittance

Energy dispersion

NV centers

Ion implantation

Résumé

Depuis plus de 45 ans, les colonnes à faisceaux d'ions focalisés FIB à base de source à métal liquide (Ga) sont utilisées pour l'élaboration, la modification ou l'analyse de nanostructures. Beaucoup plus récemment, moins de 10 ans, les sources plasma sont intégrées dans les FIB afin de répondre aux besoins d'analyse de défaillance mais également de préparation d'échantillons. Ce marché des FIB plasma est en forte progression ces derniers années et s'accompagne d'une amélioration permanente des spécifications de cette technologie encore jeune. Il est donc nécessaire de caractériser au mieux ces sources afin de pouvoir améliorer l'optique associée. Dans cette thèse, nous présentons le développement d'une nouvelle colonne FIB fonctionnant avec une source d'ions plasma, dédiée à la création de centres NV, ainsi que le développement d'un outil permettant de caractériser les performances de cette source.Étant donné le contexte de ces travaux, la première partie du manuscrit est consacrée à la présentation de la technologie FIB, de son fonctionnement et de ses applications. Dans le second chapitre, nous présentons le développement d'une colonne FIB dédiée à l'implantation d'ions azote pour la création contrôlée de centres colorés NV dans des diamants. Nous commençons par introduire les propriétés uniques des centres NV ainsi que les méthodes usuelles pour leur création. Nous présentons ensuite les différentes étapes de la caractérisation de cette colonne FIB. Les implantations réalisées au cours de ce travail ont pu être utilisées pour le développement d'une nouvelle application des diamants dopés.Dans le dernier chapitre du manuscrit, nous nous intéressons à la conception d'un banc de test permettant d'obtenir les paramètres clés de la source d'ions, à savoir la dispersion en énergie et l'émittance. Les méthodes usuelles de mesure de ces paramètres sont présentées puis le fonctionnement du banc de test est entièrement décrit. Nous présentons ensuite les mesures effectuées avec des faisceaux d'ions xénon puis oxygène. Certains paramètres de la source d'ions plasma ont ainsi été obtenus.

For more than 45 years, focused ion beams FIB columns based on liquid metal ion sources (Ga) have been used for the development, modification or analysis of nanostructures. Much more recently, less than 10 years ago, plasma sources are integrated in FIBs to meet the needs of failure analysis as well as sample preparation. This plasma FIB market has grown strongly in recent years and is accompanied by a permanent improvement of the specifications of this young technology. Therefore, it is necessary to characterize these sources in order to improve the associated optics. In this thesis, we present the development of a new FIB column working with a plasma ion source, dedicated to the creation of NV centers, as well as the development of a system dedicated to the characterization of the performances of this source.Given the context of this work, the first part of the manuscript is dedicated to the presentation of FIB technology, its operation and its applications. In the second chapter, we present the development of a FIB column dedicated to the implantation of nitrogen ions for the controlled creation of NV color centers in diamonds. We begin by introducing the unique properties of NV centers as well as the usual methods for their creation. Then we present the different steps of the characterization of this FIB column. The implantations carried out during this work have been used for the development of a new application of doped diamonds.In the last chapter of the thesis, we are interested in designing a test bench to obtain the key parameters of the ion source, namely energy dispersion and emittance. The usual methods for measuring these parameters are presented and the operation of the test bench is fully described. Then we then present the measurements made with beams of xenon ions and oxygen ions. Some parameters of the plasma ion source have thus been obtained.