Ultrafast transmission electron microscopy for probing light-matter interactions in nanomaterials.

Doostkam, Rasool (2025). Ultrafast transmission electron microscopy for probing light-matter interactions in nanomaterials. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 135 p.

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Résumé

Comprendre les interactions lumière–matière à l’échelle nanométrique est essentiel pour le développement de la nanophotonique et de la recherche sur les nanomatériaux. Cette thèse regroupe deux investigations distinctes mais complémentaires. La première explore les réponses optiques en champ proche dans des nanoparticules plasmoniques à l’aide de la Microscopie électronique par champ proche induit par photons (PINEM). La seconde présente Poly, un algorithme informatique innovant fondé sur la diffraction, conçu pour identifier les polymorphes du silicium à haute pression dans des échantillons polycristallins.

Les interactions lumière–matière à l’échelle nanométrique sont étudiées à l’aide de la microscopie électronique en transmission ultrarapide (UTEM), offrant une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. Dans des expériences pompe-sonde, des nanoparticules plasmoniques d’or (Au) et d’argent (Ag) sont excitées optiquement par un laser femtoseconde, puis sondées par des photoélectrons. La technique PINEM, combinée à un filtrage énergétique, révèle que les orientations des dipôles induits dévient souvent de la direction fixe de polarisation linéaire du laser.

Des analyses statistiques montrent que les nanoparticules déposées sur des substrats de SiO présentent des écarts d’orientation dipolaire plus importants que celles sur des grilles en graphène. Pour plus de 100 nanoparticules d’or (Au NPs) sur SiO, l’histogramme des orientations dipolaires suit une distribution gaussienne avec une largeur à mi-hauteur (FWHM) de 19°, tandis que sur le graphène, cette largeur se réduit à 9°, illustrant un contraste significatif. Ces résultats suggèrent que le graphène constitue une plateforme plus stable et homogène pour les investigations en champ proche via PINEM. Par ailleurs, la rotation de la polarisation du laser pompe modifie les orientations dipolaires, faisant apparaître des motifs circulaires de champ proche à des angles de polarisation de 18°, 66°, 114° et 162°, ce qui révèle une périodicité d’environ π/4.

Dans le second projet, un algorithme informatique fondé sur la diffraction, nommé Poly, est développé pour effectuer une analyse quantitative de phase (QPA) ponctuelle de matériaux polymorphes à l’échelle nanométrique. Pour évaluer sa précision, des motifs de diffraction électronique en sélection d’aire (SAED) des phases de silicium à haute pression — notamment bt8-Si et st12-Si — sont simulés à partir de données cristallographiques. Ces simulations sont réalisées en Python en utilisant plusieurs bibliothèques scientifiques dédiées à la génération et à l’analyse des motifs de diffraction.

L’analyse des motifs simulés confirme que Poly identifie de manière fiable les polymorphes en comparant les positions des taches de diffraction selon des critères angulaires et d’espacement interréticulaire (distance d). Lorsqu’il est appliqué à des données SAED expérimentales issues d’échantillons de silicium soumis à un choc laser, l’algorithme démontre une identification robuste des phases. Les résultats confirment la présence de phases à haute pression jusqu’alors non rapportées, incluant t32-Si et t32-Si*, comme structures dominantes dans les régions affectées par le laser. Alors que les travaux antérieurs de Rapp et al. [1] identifient plusieurs polymorphes tétragonaux et monoclinique du silicium sur la base des distances d uniquement, leur méthode manque de résolution spatiale. En revanche, l’approche à deux paramètres de Poly permet une attribution plus précise des phases à l’échelle individuelle de chaque tache.

Des données SAED résolues en temps, acquises à différents délais après exposition laser, révèlent que ces phases tétragonales métastables se détendent progressivement vers d’autres configurations à haute pression en environ 50 jours.

Ces deux investigations contribuent au développement des méthodologies de caractérisation optique et structurale à l’échelle nanométrique, avec des implications majeures pour la microscopie électronique ultrarapide et la science des matériaux.

La structure de cette thèse commence par une introduction générale à la microscopie électronique en transmission (TEM), accompagnée des concepts fondamentaux et des techniques pertinentes. Elle présente ensuite les deux projets de recherche principaux, chacun faisant l’objet d’un chapitre dédié suivant une structure cohérente comprenant : introduction, matériaux et méthodes, résultats et discussion, et conclusion.


Understanding light–matter interactions at the nanoscale is pivotal for the advancement of nanophotonics and nanomaterials research. This dissertation encompasses two distinct yet complementary investigations. The first explores near-field optical responses in plasmonic nanoparticles through Photon-Induced Near-Field Electron Microscopy (PINEM). The second presents Poly, a novel diffraction-based computational algorithm designed to identify high-pressure silicon polymorphs in polycrystalline samples.

Light–matter interactions at the nanoscale are investigated using ultrafast transmission electron microscopy (UTEM) with femtosecond temporal resolution. In pump–probe experiments, plasmonic gold (Au) and silver (Ag) nanoparticles undergo optical excitation via a femtosecond laser and are subsequently probed by photoelectrons. Photon-Induced Near-Field Electron Microscopy (PINEM), augmented by energy filtering, reveals that the induced dipole orientations often deviate from the laser’s fixed linear polarization direction.

Statistical analyses indicate that nanoparticles on SiO substrates exhibit greater deviations in dipole orientation than those on graphene grids. For over 100 gold nanoparticles (Au NPs) on SiO, the histogram of dipole orientations follows a Gaussian distribution with a full width at half maximum (FWHM) of 19°, whereas on graphene, the FWHM narrows to 9°, illustrating a significant contrast. These findings suggest that graphene provides a more stable and homogeneous platform for near-field investigations using PINEM. Furthermore, rotating the pump laser’s polarization alters dipole orientations, with circular near-field patterns emerging at polarization angles of 18°, 66°, 114°, and 162°. This behavior demonstrates a periodicity of approximately π/4.

In the second project, a diffraction-based computational algorithm, Poly, is developed to perform spot-wise quantitative phase analysis (QPA) of nanoscale polymorphic materials. To assess its accuracy, selected area electron diffraction (SAED) patterns of high-pressure silicon phases—particularly bt8-Si and st12-Si—are simulated using crystallographic data. These simulations are implemented in Python, employing multiple scientific libraries for diffraction pattern generation and analysis.

Analysis of the simulated patterns confirms that Poly reliably identifies polymorphs by matching diffraction spot positions using both angular and interplanar spacing (d-spacing) criteria. When applied to experimental SAED data from laser-shocked silicon samples, the algorithm demonstrates robust phase identification. The results verify the presence of previously unreportedhigh-pressure phases, including t32-Si and t32*-Si, as dominant structures in laser-affected regions. While prior studies by Rapp et al. [1] identify several tetragonal and monoclinic silicon polymorphs based on d-spacing alone, their method lacks spatial resolution. In contrast, Poly's dual-parameter approach enables more precise phase assignment at the individual spot level.

Time-resolved SAED data acquired at multiple delays post-laser exposure reveal that these metastable tetragonal phases progressively relax into other high-pressure configurations within approximately 50 days.

Together, these investigations advance methodologies for optical and structural characterization at the nanoscale, offering significant implications for ultrafast electron microscopy and materials science.

This thesis is structured to begin with a general introduction to transmission electron microscopy (TEM), along with foundational concepts and relevant techniques. It then presents the two primary research projects, each in a dedicated chapter following a consistent format that includes introduction, materials and methods, results and discussion, and conclusion.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Yurtsever, Aycan
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Beyerlein, Kenneth R.
Mots-clés libres:	Interaction Lumière-Matière; Plasmonique; Champs Proches Électriques; Nanoparticules; Identification de Phase; Diffraction Électronique; Polymorphisme; UTEM; Light-Matter Interaction; Plasmonics; Electric Near Fields; EELS; LSPRs; PINEM; Nanoparticles; Phase Identification; Electron Diffraction; Polymorphism
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	26 janv. 2026 16:34
Dernière modification:	26 janv. 2026 16:34
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16849

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