Three dimensional X-ray Bragg ptychography of an extended semiconductor heterostructure

Microscopie quantitative tri-dimensionnelle de nanostructures cristallines

Anastasios I. Pateras (1)

1 COMiX - Coherent Optical Microscopy and X-rays

Ptychography is a coherent diffraction imaging technique which aims in retrieving the lost phase from intensity-only far-field measurements. The versatility of the approach has proved an important asset for 3D mapping of different physical quantities, like the electron density of micrometer-sized specimens with resolution in the 10 - 100nm range. In this work, we explored the possibility to push further the current limits of 3D Bragg ptychography, by addressing the case of an extended InP/InGaAs nanostructured thin film, bonded on a silicon wafer. The experiment was performed at the ID13 beamline at ESRF, with a monochromatic beam focused down to 100nm. 2D intensity patterns were acquired at several incidence angles in the vicinity of the InP (004) Bragg peak, stacking up a three dimensional dataset. Numerical analysis of the given problem was performed beforehand in order to optimize the inversion strategy and study the possibility of introducing additional physical constraints through regularization approaches. Inversions of the dataset were done using a ptychographical gradient-based optimization phase retrieval algorithm. The developed strategy was applied on the experimental data which led to the retrieval of a complex-valued 3D image. The result exhibits the high crystallinity quality of the sample with the expected values of thickness and lattice mismatch, nevertheless, small local lattice tilts have been observed - in the order of 0.02°- and confirmed by numerical modeling. This result demonstrates the high sensitivity of the technique, as well as its exciting perspectives for imaging complex organic and inorganic nanostructured materials.

La ptychographie est une technique d’imagerie par diffraction cohérente qui vise à récupérer la phase perdue, uniquement par des mesures d’intensité en champ lointain. Cette technique permet l’imagerie des champs de déformation dans des cristaux périodiques avec des résolutions sous-faisceau. Dans ce travail, la ptychographie de Bragg en 3D est utilisée pour étudier les propriétés d’une couche cristalline nanostructurée de InP/InGaAs collée sur un substrat de silicium. L’expérience a été réalisée sur la ligne ID13 de l’ESRF, avec un faisceau monochromatique concentré à 100nm. Les intensités 2D ont été acquises avec plusieurs angles d’incidence dans le voisinage du pic de Bragg InP (004), empilant un jeu de données tridimensionnelles. L’analyse numérique du problème donné a été effectuée à l’avance afin d’optimiser la stratégie d’inversion et d’étudier la possibilité d’introduire des contraintes physiques supplémentaires basées sur des approches de régularisation. L’inversion de l’ensemble des données a été effectuée en utilisant un algorithme ptychographique de reconstruction de phase. L’image 3D récupérée représente la haute qualité cristalline de l’échantillon, avec les valeurs de l’épaisseur et du désaccord de maille attendus en moyenne. Néanmoins, de petites inclinaisons locales de mailles ont été observées - de l’ordre de 0.02°- et confirmées par modélisation numérique. Les résultats démontrent la sensibilité de la technique, ainsi que ses perspectives passionnantes pour l’imagerie des matériaux organiques et inorganiques nanostructurés complexes.

Mots clés: thin film strain imaging; Bragg ptychography; three dimensional

Mots clés: ptychographie Bragg; imagerie de deformation crystalline; Couches minces; 3D

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]; Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]

Anastasios I. Pateras. Three dimensional X-ray Bragg ptychography of an extended semiconductor heterostructure. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Aix-Marseille Université; Karlsruhe Institut für Technologie (KIT), 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02187453⟩