XAS-XEOL and XRF spectroscopies using near field microscope probes for high-resolution photon collection

• Auteur / Autrice : Mael Dehlinger
• Direction : Didier Tonneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 27/09/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Jean-marc Themlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Marchi, Carole Fauquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Grosjean, Alexei Erko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie -- Technique

Luminescence

Simulation

Spectroscopie des rayons X

Mots clés libres

XRF

XAS-XEOL

Spectroscopie de rayons-X

Simulation

Luminescence

Microscope à sonde locale

XRF

XAS-XEOL

X-ray spectroscopy

Simulation

Luminescence

Scanning Probe Microscope

Résumé

Les microscopes en champ proche permettent d'obtenir la topographie d'un échantillon avec une résolution pouvant atteindre la résolution atomique. Les spectroscopies de rayons-X sont des méthodes de caractérisation qui permettent de déterminer la composition et la structure élémentaire de l'échantillon avec une précision inférieure à l'Ångström. Nous avons choisi de coupler ces deux techniques en collectant localement la luminescence visible issue de l'échantillon par la pointe-sonde d'un microscope à force de cisaillement, constituée d'une fibre optique effilée de faible ouverture. Cette technique a été utilisée pour caractériser des échantillons semiconducteurs micro- et nano-structurés afin d'en obtenir simultanément la topographie et la cartographie de luminescence locale. Afin de pouvoir étendre ce concept à d'autres types de matériaux, la faisabilité de la collecte de la fluorescence X locale a été évaluée avec la microsource. Pour cela la fluorescence X émise par un échantillon a été collectée par un capillaire cylindrique équipant un détecteur EDX. L'influence du diamètre du capillaire sur le niveau de signal a été mesurée. Une simulation numérique a été développée afin d'estimer le niveau de signal obtenu en utilisant un capillaire de 1 µm de diamètre et d'optimiser la géométrie du système. En couplant la microscopie en champ proche et l'analyse XRF, à la lumière de ces résultats, il sera possible d'atteindre 100 nm de résolution latérale en environnement synchrotron et moins de 1 µm à l'aide d'une source de laboratoire. Il serait alors possible de sélectionner un objet particulier sur une surface et d'en faire l'analyse élémentaire.

Scanning Probe Microscopes allow to obtain sample topography up to atomic resolution. X-ray spectroscopies allow elemental and structural analysis of a sample with accuracy better than 1 Å. The lateral resolution is limited by the primary beam diameter, currently a few µm². We have chosen to couple this two technics. Local sample visible luminescence is collected through a low aperture sharp optical fibre, probe of a shear force microscope. This technique was used to characterize microstructured semiconducting samples to achieve simultaneously the surface topography and luminescence mapping. The results were obtained using either synchrotron radiation or a laboratory microsource equipped with a polycapillary lens. To extend this concept to a wider variety of materials, local XRF collection by an EDX detector equipped with a cylindrical X-ray capillary was tested. A cobalt sample irradiated with the microsource was used for technique evaluation. The signal magnitude dependence with the capillary diameter was measured. Modelling and numerical calculations were developed to estimate the signal magnitude that could be detected using a 1 µm diameter capillary. The optimal system geometry was determined. Scanning Probe Microscopy combined to XRF analysis could thereby lead to simultaneous acquisition of sample topography and chemical mapping. The expected lateral resolution using synchrotron radiation is 100 nm while sub 1 µm resolution is realistic with a laboratory source. This technique would allow to point a peculiar micro- or nano-object on the surface and to perform its chemical analysis.