MATÉRIAUX EN FILMS MINCES POUR L'OPTIQUE AUX COURTES LONGUEURS D'ONDE // THIN FILM MATERIAL FOR OPTICS AT SHORT WAVELENGTHS

Le domaine de l'optique extrême-ultraviolet (EUV, longueurs d'onde entre 1 nm et 100 nm) connaît une évolution rapide depuis une vingtaine d'années. Plusieurs barrières scientifiques et technologiques ont été franchies au cours de ces dernières années grâce au rayonnement EUV : la génération d'impulsions EUV de durée inférieure à 100 attosecondes (100 as=10-16 s) a permis l'observation des orbitales électroniques dans les molécules par tomographie; la couronne du soleil et de ces protubérances ont pu être observées en 3 dimensions en combinant les images prises par les deux télescopes EUV de la mission NASA STEREO; un morceau de matière a été chauffé pour la première fois à plus d'un million de degrés par le laser à électrons libres. Les progrès importants réalisés par les composants optiques dédiés à cette gamme spectrale ont également participé à cette évolution. En particulier, les miroirs interférentiels multicouches, basés sur une structure périodique de films minces (d'épaisseur nanométrique), ont largement démontré leur intérêt dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques : rayonnement synchrotron, plasmas chauds (projet laser MégaJoule), physique solaire (télescopes imageurs EUV), microscopie X pour la biologie, lithographie EUV, analyse X, etc.
La réalisation d'optiques pour le domaine spectral EUV est rendue difficile par les propriétés optiques des matériaux à ces longueurs d'onde très courtes. D'une part, l'absorption est non nulle et augmente avec la longueur d'onde. D'autre part, la réfraction est faible et ne permet pas de réfléchir efficacement la lumière à une interface. De plus tous les défauts (de surface et/ou d'interface) doivent avoir des amplitudes négligeables devant la longueur d'onde ce qui amène à repousser les limites technologiques actuelles, notamment en termes de planéité et de rugosité des interfaces.
Pourtant, l'émergence de nouvelles sources X et de nouvelles applications dans ce domaine spectral requiert des composants optiques toujours plus performants, sur une gamme spectrale étendue et/ou avec des fonctions spécifiques. Cela amène à reconsidérer les structures et les matériaux usuellement utilisés pour réaliser ces composants.
Le sujet de cette thèse est d'étudier les propriétés optiques des matériaux en films minces en vue de développer des miroirs EUV plus performants et de pouvoir modéliser correctement les performances des instruments existants (télescopes EUV, microscopes X, spectromètre X, etc.), notamment pour les longueurs d'onde supérieures à 35 nm, qui reste un domaine spectral largement inexploré.
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Soft X-rays and Extreme Ultraviolet (EUV) radiation (defined as light with wavelength in the 1 to 100 nm range) has been playing a growing role in major scientific and industrial applications over the last 20 years: astrophysics and solar physics, materials sciences, biology, semiconductor industry, etc. Several scientific and technological breakthroughs have been achieved recently. X-ray radiation from the SPRING-8 synchrotron light source in Japan has been focused on a spot with diameter smaller than 10 nanometers; this constitutes the smallest spot of light ever produced and could enable studies with the most exquisite spatial resolution. The generation of ultrashort EUV pulses with a duration less than 0.1 femtosecond (=100 attoseconds) made it possible for the first time to observe electron orbitals in molecules. The EUV telescopes aboard NASA's STEREO mission provided the first 3D images of the solar corona with its protuberances. The world's first X-ray Free Electron Laser (LCLS - Linac Coherent Light Source at Stanford University) allowed heating a piece of material at temperatures up to one million of degrees. Photolithography scanners based on EUV light have entered the world of semiconductor manufacturing in order to produce the next generation of computer chips.
These breakthroughs have been enabled by the development of new light sources and new optical components dedicated to the EUV/x- ray spectral range. The main challenges in fabricating EUV/x-ray optics come from the properties of materials in this spectral range. In particular, with the refractive index of any material being very close to 1, the refractive phenomena at any interface are weak and the reflectivity of any single material at non-grazing incidence angles is zero. Moreover, all materials absorb x-rays, so the transmission of any component is almost zero. Multilayer interference mirrors, acting as “reflective lenses”, are essential optical components in most EUV/x- ray optical systems. These mirrors consist of periodic or aperiodic structures of alternating thin film layers of 2 or more materials with nanometer-scale thickness, deposited on an optical substrate. The constructive interference between the layers results in efficient reflectance at EUV/x-ray wavelengths even at near-normal incidence angles. However, designing efficient multilayer coatings and/or modeling XUV instruments (telescopes, microscopes, spectrometers, etc.) requires a precise knowledge of optical constants, which is not the case for many materials in this wavelength range.
The main objective of the PhD thesis will be to measure optical constants of thin film materials of special interest for XUV multilayer mirrors. It includes experimental development, characterization and study of theoretical models.
The PhD student will have access to state-of-the-art equipment: multilayer deposition system in clean room environment, x-ray reflectometry at LCF on Cu Kα source and on SOLEIL and ALS synchrotron, etc.
Moreover, this work will be part of a collaboration between LCF and 2 US laboratories : the Lawrence Livermore National Lab (Livermore, CA, USA) and the Center for X-ray Optics at Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley, CA, USA).
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Master ou diplôme d'ingénieur en optique ou en sciences des matériaux.
 Goût pour le travail expérimental, l'analyse de données et la modélisation.
Background in Optical science and/or material science. Interest for experimental work, data analysis and modeling.