Optical control of carbon nanotube based cathodes for THz sources
Contrôle optique des cathodes froides à base de nanotubes de carbone pour les sources THz
Résumé
The THz field is experiencing a tremendous boom since the late 1980s. However, the design of powerful sources (>10mW) is still difficult so they often remain massive and bulky. Today, research is therefore focused on the development of compact sources using technics from solid electronics, optics or vacuum electronics. This thesis considers an electron tube associated to a premodulated cold cathode. This cathode is an array of vertically aligned carbon nanotubes optimized to extract electrons at low electric field. The nanotubes are grown on a metallic surface grating dedicated to the coupling of a THz dual-frequency laser to the electrons thanks to surface plasmons. The study is focused on the development of the metallic grating and on the understanding of the electronic properties of the new cathode. These directions have led in particular to the fabrication of functional gratings, to quantify the divergence of the electron beam and the development of a thermal annealing technique of nanotubes by pulsed laser. Regarding the fabrication of this new cathode, a technological solution has been developed in compatibility with the high temperature growth of nanotubes (>500°C). The expertise developed during this work should lead to the THz modulation of electron beams and more generally should improve the performances of existing electronic sources or devices based on surface gratings.
Le domaine THz connaît un extraordinaire essor depuis la fin des années 1980. Néanmoins, la conception de sources puissantes (>10 mW) est difficile et celles-ci restent souvent massives et volumineuses. Aujourd'hui, les recherches portent donc sur le développement de sources compactes utilisant des techniques de l'électronique solide, de l'optique ou de l'électronique sous vide. Ce travail considère un tube électronique associé à une cathode froide pré-modulée. Celle-ci se compose d'un réseau de nanotubes de carbone verticaux permettant d'extraire les électrons sous faible champ. Ce réseau de nanotubes est intégré sur un réseau de surface métallique permettant de coupler le battement THz d'un laser bifréquence aux électrons par l'intermédiaire de plasmons de surface. L'étude porte sur le développement du réseau métallique et sur la compréhension des propriétés électroniques de cette nouvelle cathode. Ces axes de travail ont notamment mené à la fabrication de réseaux fonctionnels, à la quantification de la divergence du faisceau électronique et à la mise au point d'une technique de recuit des nanotubes par laser impulsionnel. Concernant la fabrication de cette nouvelle cathode, une solution technologique a été développée en compatibilité avec la croissance haute température des nanotubes (>500°C). La maîtrise des techniques développées durant ce travail devrait conduire à la modulation THz de faisceaux électroniques et plus généralement à l'amélioration des sources électroniques actuelles ou des appareils intégrant des réseaux de surface.