XAS-XEOL and XRF spectroscopies using Near-Field Microscope probes for high-resolution photon collection
Résumé
Scanning Probe Microscopes allow to obtain sample topography up to atomic resolution. Local surface properties such as potential, elasticity, density of states... can also be determined. However, an a priori knowledge of the sample chemistry is required to completely identify the objects present on the sample surface. 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. Two different ways can be followed to enhance the lateral resolution: - further primary beam focusing - detector aperture shrinking to collect the fluorescence coming only from a part of the emitting volume, while keeping a significant signal/noise ratio. This is ensured approaching the detector as much as possible toward the surface. We have chosen to develop this second option. 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.
Les microscopes en champ proche permettent d'obtenir la topographie d'un échantillon avec une résolution pouvant atteindre la résolution atomique. Ces techniques permettent également d'accéder à certaines propriétés locales de la surface telles que le potentiel, l'élasticité, la densité d'états... Ces spectroscopies locales sont de type 'contraste' et ne permettent pas de dresser la cartographie chimique de la surface sans connaissance a priori des éléments qui la composent. Les spectroscopies de rayons-X sont des méthodes de caractérisation puissantes qui permettent de déterminer la composition et la structure élémentaire de l'échantillon avec une précision inférieure à l'Ångström. La résolution latérale est essentiellement limitée par la taille du faisceau primaire, couramment de plusieurs μm². Deux voies sont possibles pour l'améliorer: - réduire l'étendue du faisceau primaire excitateur; - limiter la collecte du rayonnement émis à une portion du volume excité, tout en approchant le détecteur au maximum pour garder un rapport signal/bruit suffisant. C'est cette deuxième option que nous avons choisi de développer. Pour cela nous avons collecté 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. Ces résultats ont été obtenus non seulement sur une ligne synchrotron mais également à l'aide d'une microsource de laboratoire équipée d'une lentille polycapillaire. 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 de cobalt 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.