La spectromicroscopie XPEEM avec le rayonnement synchrotron^*

XPEEM spectromicroscopy using synchrotron radiation

¹ CEA DSM/IRAMIS/SPCSI, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
² CEA-LETI, MINATEC, 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9, France

Reçu : 6 Avril 2009
Accepté : 23 Avril 2009

Résumé

Le rayonnement synchrotron apporte plusieurs dimensions nouvelles aux spectroscopies des photoélectrons. L'optimisation de la section de photoionization, l'ajustement de la sensibilité à la surface, la brillance de la source comptent parmi les principaux apports d'un faisceau de photons émis par un synchrotron de troisième génération. La photoémission résolue angulairement (ARPES) permet de tracer la structure de bandes de monocristaux. La spectroscopie des photoélectrons avec les rayons X (XPS) permet de sonder les environnements chimiques. Par rapport à l'ARPES et à l'XPS, la microscopie d'émission des photoélectrons (PEEM) conserve, en plus, la provenance spatiale des photoélectrons grâce à une optique électronique qui collecte, focalise et agrandit le signal photoélectrique. La résolution spatiale ultime est déterminée par le disque de diffraction des photoélectrons et les aberrations sphériques et chromatiques. Le compromis nécessaire entre la minimisation d'aberrations par des diaphragmes et l'optimisation de la transmission rend le rayonnement synchrotron très adapté à la spectromicroscopie PEEM. Nous présentons les possibilités offertes pour reconstruire des spectres de photoémission de zones submicroniques d'un échantillon présentant des inhomogénéités chimiques/élémentaires/électroniques, avec une résolution spatiale d'entre 50 et 100 nm. Plusieurs exemples illustreront les applications potentielles : le greffage moléculaire ; l'imagerie chimique de nanofils ; structures polycristallines.

Abstract

Synchrotron radiation offers new dimensions to photoelectron spectroscopy. Third generation synchrotron radiation sources offer optimization of the photoionization cross-sections and surface sensitivity, as well as the availability of high brilliance photon beams. Angularly resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) can do band mapping of single crystal electronic structure. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) probes the chemical environment of constituent atoms. With respect to ARPES and XPS, photoelectron emission microscopy (PEEM) conserves the spatial origin of the photoelectrons thanks to electron optics which collect, focus and enlarges the photoelectric signal. The ultimate spatial resolution is determined by electron diffraction and the chromatic and spherical aberrations. Synchrotron radiation is therefore well adapted to finding the necessary compromise between aberration minimization using apertures and the microscope transmission for full spectroscopic PEEM. We present the perspectives for spectral reconstruction of submicron zones of samples having chemical, elemental or electronic inhomogeneities with a spatial resolution between 50 and 100 nm. Several examples will illustrate the potential of the technique: molecular grafting; chemical imaging of single nanowires and polycrystalline structures.