EP2577325A1 - Dispositif de caractérisation topographique et de cartographie chimique de surfaces - Google Patents

Dispositif de caractérisation topographique et de cartographie chimique de surfaces

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EP2577325A1
EP2577325A1 EP11729731.7A EP11729731A EP2577325A1 EP 2577325 A1 EP2577325 A1 EP 2577325A1 EP 11729731 A EP11729731 A EP 11729731A EP 2577325 A1 EP2577325 A1 EP 2577325A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capillary
ultraviolet
visible
imaging
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11729731.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Didier Tonneau
Juris Purans
Carole Fauquet
Franck Jandard
Alexei Erko
Aniouar Bjeoumikhov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFG - Institute For Scientific Instruments GmbH
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de la Mediterranee Aix Marseille II
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de la Mediterranee Aix Marseille II filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2577325A1 publication Critical patent/EP2577325A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/02—Multiple-type SPM, i.e. involving more than one SPM techniques
    • G01Q60/06—SNOM [Scanning Near-field Optical Microscopy] combined with AFM [Atomic Force Microscopy]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/20—Fluorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Definitions

  • the invention relates to a device for topographic characterization and chemical mapping of surfaces.
  • the device of the invention makes it possible simultaneously to acquire local information of a spectroscopic (fluorescence, and especially X-ray fluorescence) and topographic nature with a high spatial resolution, typically micrometric or sub-micrometric.
  • the device of the invention makes it possible to acquire, with the indicated spatial resolution, fluorescence spectra induced by X, ultraviolet or visible excitation radiation, or even in the near or middle infrared.
  • This spectral information is also coupled with topographic information (surface relief) with comparable spatial-lateral resolution.
  • X-ray radiation or “X-rays” means electromagnetic radiation having a wavelength of between 0.01 nm and 10 nm or, in an approximately equivalent manner, an energy of between 120 eV (elettronvolts) and 120 keV .
  • radiation uitravioiet or “UV” is meant electromagnetic radiation having a wavelength of between 10 nm and 400 nm (approximately between 3 and 120 eV).
  • visible radiation is meant, conventionally, electromagnetic radiation having a wavelength between 400 nm and 780 nm (approximately between 1.5 and 3 eV).
  • near or medium infrared is meant electromagnetic radiation having a wavelength of between 780 nm and 3 ⁇ m (approximately 0.4 to 1.5 eV).
  • X-ray spectroscopy is a very powerful technique for the analysis of solids, which makes it possible to know the chemical composition of a sample and even the interatomic distances in this sample. sample.
  • the principle of a conventional X-ray fluorescence (XRF) analysis is shown in Figure 6.
  • An X-ray excitation beam (FEX reference) generated by a synchrotron or a rotating anode-type laboratory source, focused or not, is incident on the surface SE of a sample E to be analyzed.
  • the incident beam is often focused using KB (Kirkpatrick-Baez) and / or Fresnel lens systems (not shown).
  • the exciter beam size is typically of the order of 5 pm 2 in the case of a synchrotron beam, and 100 pm 2 with a laboratory source. This limits the lateral resolution that can be achieved.
  • a detection system D is placed in the far field, at a distance r (typically a few centimeters) from the irradiated zone to detect the electromagnetic fluorescence radiation emitted by said irradiated zone.
  • This fluorescence radiation can be X-ray, ultraviolet, visible or even in the near or medium infrared.
  • the fluorescence, of intensity lo, is emitted on 4 ⁇ steradians. Therefore, the collected signal is proportional to ⁇ ⁇ 2 , S D being the surface of the detection system.
  • the distance r between the surface and the detection system can not be arbitrarily reduced for reasons of steric hindrance; therefore, to improve the signal-to-noise ratio it is necessary to increase S 0 and thus to work at high incident flux.
  • the maximum flux is limited by the brightness of the excitation radiation source, as well as by the threshold of damage to the surface.
  • the focusing of the excitation beam makes it possible to improve the lateral resolution of the measurement (within the limits indicated above), but not to improve the signal-to-noise ratio, since the irradiated surface decreases in the same ratio as the increase in the incident power density.
  • the detection system D can be:
  • an energy dispersive X-ray (“EDX”) detection system that allows spectral analysis of X-ray fluorescence radiation; either a point detection system, such as a photodiode or a CCD camera, coupled to a dispersive system or a monochromator.
  • EDX energy dispersive X-ray
  • This technique does not make it possible to acquire information of a topographic nature at the same time as fluorescence spectra.
  • AF atomic force microscopy
  • the article by Y. Hosokawe et al. "An X-Ray Tube Guide and a Desk-Top Scanning Analytical Microscope," X-Ray Spectrometry, Vol. 26, pp. 280-387 (1997) discloses an X-ray analytical microscope using a capillary to direct a collimated X-ray beam over a predetermined region of a sample to be characterized.
  • the transmitted x-rays, as well as the secondary X-rays emitted by fluorescence are detected.
  • An optical microscope acquires an image of the region of the sample illuminated by X-rays.
  • the experimental data presented by this article show a spatial resolution of several micrometers, therefore of the same order of magnitude as in conventional XRF analysis.
  • no topographic information is acquired at the same time as the transmitted and secondary optical images and X-ray spectra.
  • spectroscopic and topographic data are acquired simultaneously (the latter are obtained by the servo mechanism which maintains the tip of the microscope near field optical at a constant distance from the surface).
  • the technique only detects the radiation emitted by the surface in the visible region of the electromagnetic spectrum (or, at most, between the near infrared and the near ultraviolet).
  • the experimental data presented in this paper show that the spatial (lateral) resolution of the spectroscopic data is greater than one micrometer.
  • the method is quite complex to implement.
  • US Pat. No. 7,095,822 discloses a micro-probe for near-field X-ray fluorescence.
  • This micro-probe is based on a conventional atomic force microscope tip of the recessed lever type.
  • This built-in lever has a region forming a micro-anode X-ray generator.
  • An electron source directs an electron beam on this micro-anode, which generates an (non-collimated) beam of X-rays. Because of the close proximity between the micro-anode and the surface, only a small region of the latter is irradiated by the generated X-rays, and emits fluorescence radiation captured by a far-field detection system. It is obvious that this technique is very complex to implement, because the presence of an electron beam requires working under ultra-high vacuum. For the same reason, it is not suitable for the characterization of biological samples.
  • the invention aims to remedy, in whole or in part, the disadvantages of the prior art. More specifically, the object of the invention is to provide a device for the topographic and spectroscopic characterization of surfaces which is simple in its structure and in its use, and which can be used with minimal modifications in several spectral ranges (both with respect to excitation radiation and detected secondary radiation) and having a high lateral resolution.
  • a surface characterization device comprising:
  • imaging capillary for guiding ultraviolet or X-ray electromagnetic radiation from or towards a surface to be characterized, said capillary having a so-called front end, oriented towards said surface and having an aperture of micrometric or sub-micrometer diameter;
  • a micromechanical oscillator for inducing an oscillatory movement of said capillary relative to said surface.
  • the imaging capillary simultaneously performs two functions: it serves as a waveguide for electromagnetic radiation (X, UV, visible or near / medium infrared, continuous or pulsed) of excitation, and / or for fluorescence radiation (which can also be X / UV or visible or even infrared); and "feeler" to determine the topography of the analyzed surface.
  • electromagnetic radiation X, UV, visible or near / medium infrared, continuous or pulsed
  • fluorescence radiation which can also be X / UV or visible or even infrared
  • feeler to determine the topography of the analyzed surface.
  • capillaries as waveguides in the X-ray domain is known from the prior art; see for example the following articles:
  • a capillary is generally defined as a tube having a small inside diameter (typically less than 1 mm); by extension, it may be a bundle of such tubes, parallel to each other; we then distinguish between "monocapillary" and "polycapillary".
  • the refractive index changes little from one material to another; therefore, capillaries made of metal, silicon, glass, silica etc. can be used.
  • the inner surface it is necessary for the inner surface to be smooth at a nanoscale.
  • Capillaries used in X-ray optics may have a curvature and are not necessarily cylindrical; on the contrary, a curved and tapered inner shape (for example, with an elliptical or parabolic profile) is often required to focus X-rays.
  • hollow core photonic crystal fibers are also suitable for guiding infrared, visible or ultraviolet radiation. In general, they are better adapted to the capture of fluorescence radiation than to the supply of excitation radiation.
  • micrometer diameter is meant a diameter of between about 1 pm and 10 pm; “sub-micrometer diameter” means a diameter less than 1 ⁇ m, and in particular between 10 nm and 1 mm.
  • Said imaging capillary may be a mono-capillary, its front end preferably having an opening diameter of between 10 nm and 1 pm.
  • the device may also include an actuating mechanism for causing a relative displacement of the capillary and the surface in three directions of space, a servo-control being provided to maintain a constant distance between the front end of the capillary and the surface. using a feedback signal depending on the amplitude and / or frequency of said oscillatory movement.
  • said constant distance may be between 1 and 100 nm, and in particular be of the order of 10 nm.
  • the relative displacement in the plane of the surface can be obtained by moving the surface of the sample under the capillary; the displacement perpendicular to the surface, controlled by said servocontrol, can be achieved by the surface or by the capillary.
  • the device may also include an ammeter capable of being connected to the surface to be characterized for measuring an electric current induced by ultraviolet radiation or X directed to a region of said surface by said imaging capillary.
  • the device may also comprise a second capillary (mono- or, preferably, polycapillary) having a so-called front end having a diameter greater than that of the imaging capillary and oriented to a region of the surface to be characterized located directly below the front opening of said imaging capillary.
  • the device may also comprise a spectral analysis system of an infrared electromagnetic radiation, visible, ultraviolet or X, continuous or pulsed, coupled to said second capillary; and / or one. ultraviolet or X-ray source coupled to said imaging capillary.
  • the device may also comprise a spectral analysis system of infrared, visible ultraviolet or X radiation coupled to said imaging capillary and / or a source of radiation in the near or intermediate infrared, visible ultraviolet or X coupled to said auditory second capillary.
  • a spectral analysis system of infrared, visible ultraviolet or X radiation coupled to said imaging capillary and / or a source of radiation in the near or intermediate infrared, visible ultraviolet or X coupled to said auditory second capillary.
  • the device may also comprise a separating plate disposed near a rear end of said imaging capillary, opposite said front end, said separating plate being adapted to separate a first beam of electromagnetic radiation, directed towards the rear end of said imaging capillary and having at least a first wavelength, a second beam of electromagnetic radiation from the rear end of said imaging capillary and having at least a second wavelength different from the first.
  • the device may also comprise a source of near-infrared radiation, visible, ultraviolet or X, continuous or pulsed, to generate said first electromagnetic radiation beam, and / or a spectral analysis system of said second beam of radiation. electromagnetic radiation.
  • said separator blade may be a single-crystal blade adapted to pass said first beam and reflect said second beam by Bragg diffraction, or conversely, said first and second beams being X-ray beams.
  • said splitter blade may be adapted to reflect a spectral component of said second beam by Bragg diffraction to a radiation detection system, said blade actuation means and said detection system being provided to select said spectral component so as to analyze said second beam .
  • the separator may be a monocrystalline blade having a metal coating, adapted to pass said first beam, of X-rays, and to reflect said second beam, near / mid-infrared, visible or ultraviolet.
  • Another object of the invention is the use of a device as described above to simultaneously acquire topographic information and spectroscopic information resolved spatially on a surface to be characterized.
  • Figure 1 is a diagram of a device according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a diagram of a device according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a diagram of a device according to a first variant of said third embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a diagram of a device according to a second variant of said third embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a diagram of a device according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a diagram of a conventional X-ray fluorescence analyzer.
  • an excitation beam FEX (X or UV rays), generated by an SRE radiation source (synchrotron, laboratory source X, laser, etc.) is directed on the surface SE of the sample E to be characterized by a polycapilate C 2 having a diameter of several pm (micrometers), so as to irradiate a region RI of said surface having a diameter typically less than 100 pm, for example d about 1 to 50 ⁇ m.
  • the polycapilate C 2 is inclined with respect to the surface so as not to prevent approaching the surface of the monocapillary Ci imaging image, used to collect the RSF fluorescence secondary radiation and lead it to a detection system D, preferably adapted to perform a spectral analysis of this radiation (EDX detector, monochromator, etc.).
  • the capillary Ci is attached to an arm of a piezoelectric tuning fork DP, the axis of the capillary being parallel to that of said arm and perpendicular to the surface SE of the sample to be characterized.
  • the capillary C-i oscillates in a direction parallel to the surface, like a microscope tip with shear force; the amplitude of the oscillation is at the nanoscale (1-100 nm, and typically of the order of 30 nm), and preferably less than the diameter of the opening of the front end EAci of the capillary.
  • the capillary scans a predetermined region of the SE surface, which coincides with or is included in the region irradiated by the excitation beam fed by C-2.
  • An actuating mechanism is provided for this purpose. In the embodiments of FIGS. 1 and 2, this mechanism moves the sample in the plane of its surface, while the capillaries are held fixed so as not to lose their mutual alignment.
  • the actuating mechanism is also provided to move the sample in a vertical direction (perpendicular to its surface and / or parallel to the axis of the capillary Ci); this movement is controlled by a servo system which keeps the amplitude and / or the oscillation frequency of the tuning fork constant. In a known manner, this amounts to ensuring a constant distance (from a few nanometers to a few tens of nanometers, for example between 5 and 50 nm) between said front end of the capillary and the surface; we then speak of a "near field” or “mechanical close field” to distinguish this condition from the "optical near field", a notion that depends on the wavelength of the radiation considered.
  • the recording of the vertical displacements of the sample makes it possible to obtain a profile of the surface SE.
  • the lateral resolution of measurement depends essentially on the opening of the front end EAci of the capillary.
  • the diameter of this opening is preferably less than or equal to 1 ⁇ , and may be as small as 10 - 20 nm.
  • the current lower limit is both technological and related to the need to collect a sufficient secondary radiation flux.
  • the method has been developed for conventional optical fibers, but can be transferred to hollow-core photonic crystal fibers or other types of capillaries.
  • the actuating mechanism and its servocontrol are shown schematically in FIG. 2 (reference MA); they may be those of a conventional near-field optical microscope.
  • the actuating mechanism can horizontally move the sample (ie in the plane of its surface) and vertically the capillary Ci. Indeed, this vertical movement does not affect, or weakly, the alignment between the capillaries.
  • this vertical movement does not affect, or weakly, the alignment between the capillaries.
  • the "self-aligned" embodiments FIGS. 3 and 4 it is even possible to envisage move the single capillary in the three directions of space and hold the sample steady.
  • the front opening, tapered and curved, of the capillary Ci makes it possible to collect in the near field (in the mechanical sense) the secondary radiation emitted by the portion of the surface SE which is directly below said capillary, to bring it to a spectrometer or remote monochromator.
  • the small size of the capillary Ci minimizes steric hindrance problems, and makes it possible to bring the collection opening closer to the radiation of the surface. This results in high collection efficiency and high spatial resolution.
  • the spatial resolution in spectroscopy is of the order of the diameter of the front opening of the capillary Ci.
  • a high gloss excitation source it is possible to reduce the size of the opening of the capillary Ci to obtain lateral resolutions of less than 100 nm.
  • such a source can be obtained, for example, by focusing a femtosecond laser beam on a solid surface; see for example G. Kazutaka al, "Picosecond time-resolved X-ray diffraction from laser-shocked semiconductors" Laser and Particle Beams (2004), 22: 3: 285-288.
  • Femtosecond or picosecond lasers in the visible, near-UV or even near-infrared or mid-infrared range can also be used directly as a source of excitation, especially markers in applications to biology.
  • the use of a capillary is advantageous, compared to that of an optical fiber, because it makes it possible to avoid non-linear effects such as phase auto-modulation, as well as the extension of the pulses to because of the dispersion of the material of the fiber.
  • the excitation beam may have an energy of between 20 and 25 keV, and the detection spectrometer may then be sensitive in the 2-20 keV range.
  • the exciter beam may be narrowband, especially if it is a beam X, but this is not necessary.
  • the energy of the excitation photons and the brightness of the source the penetration depth of said photons may vary from 100 nm to several tens of micrometers (with a synchrotron source).
  • the device of the invention thus makes it possible to chemically characterize the subsurface of the sample (buried layers and interfaces), in addition to the surface in the proper sense.
  • the second capillary C 2 could be omitted.
  • the excitation beam would be a focused beam in free propagation.
  • the piezoelectric tuning fork DP may be replaced by any other micromechanical, and in particular microelectromechanical oscillator, suitable. This is true for all embodiments of the invention.
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the imaging capillary C 1 is used to bring the excitation beam (near-field excitation, at least in the mechanical sense) to the sample. ), and the second capillary C 2 is used to collect the signal (far-field detection).
  • the main advantage of this alternative embodiment is that, simultaneously with the chemical and topographic analysis, it is possible to measure the electric current XB ic of the sample under irradiation X ("XBIC", for "X-Beam Induced Current ", ie current induced by beam X). This provides additional information on the flow of charges near defects below the surface or on the electrical behavior of nanoparticles embedded in a matrix. Since the current is generated only by the very small irradiated region RP, an ammeter A connected to the surface makes it possible to perform an XBIC measurement with sub-micrometric spatial resolution.
  • the second capillary C 2 could be omitted.
  • the detection of the fluorescence signal would be as in the case of FIG.
  • the first and second embodiments of the invention pose the problem of the alignment between the excitation capillary and the detection capillary.
  • the third embodiment solves this problem by using the single imaging capillary It is used both as a source of excitation and as a secondary radiation collection probe (as well as a topography probe of its surface of the sample). This allows a self-alignment of the device.
  • This embodiment requires a splitter plate to separate the FEX excitation beam from the source to be injected into the capillary C by its open back end, and the RSF fluorescence secondary radiation that exits said rear end. towards the detection system.
  • the excitation radiation is of the ultraviolet type
  • a monocrystalline LM plate capable of producing a Bragg diffraction of said excitation radiation or fluorescence radiation.
  • a HOPG Highly Oriented Pyritic Graphite
  • the fluorescence beam RSF is deflected by the blade only if the condition of Bragg is respected, ie if the plate LM forms with the surface SE an angle ⁇ such that 2asin (0) - ⁇ where d is the distance between Its atomic planes of the monocrystalline plate, ⁇ is the wavelength of the fluorescence radiation (or rather of one of its spectral components) and n is an integer different from zero.
  • the LM blade is not only a separating plate, but also a spectral selection element. If it is motorized to rotate at an angular velocity ⁇ , and the detection system D rotates at an angular velocity 2 ⁇ , a monochromator is produced in a configuration ⁇ -2 ⁇ .
  • microelectromechanical oscillator coupled to the capillary Ci has been omitted from FIGS. 3 and 4 for the sake of clarity.
  • FIG. 6 shows such a configuration, in which the capillary Ci is very short, and in fact constituted by a pierced AFM tip.

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Abstract

Dispositif de caractérisation de surfaces caractérisé en ce qu'il comprend : -un capillaire (C1) dit d'imagerie pour guider un rayonnement électromagnétique proche ou moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X depuis ou vers une surface (SE) à caractériser, ledit capillaire ayant une extrémité dite avant (EAC1), orientée vers ladite surface et présentant une ouverture de diamètre micrométrique ou sub-micrométrique; et -un oscillateur micromécanique (DP) pour induire un mouvement oscillatoire dudit capillaire par rapport à ladite surface. Utilisation d'un tel dispositif pour acquérir simultanément une information topographique et une information spectroscopique résolue spatialement sur une surface à caractériser.

Description

DISPOSITIF DE CARACTERISATION TOPOGRAPHIQUE ET DE CARTOGRAPHIE CHIMIQUE DE SURFACES
L'invention porte sur un dispositif de caractérisation topographique et de cartographie chimique de surfaces. Le dispositif de l'invention permet d'acquérir simultanément des informations locales de nature spectroscopique (fluorescence, et notamment fluorescence X) et topographique avec une résolution spatiale élevée, typiquement micrométrique ou sub-micrométrique.
Plus particulièrement, le dispositif de l'invention permet d'acquérir, avec la résolution spatiale indiquée, des spectres de fluorescence induite par un rayonnement d'excitation X, ultraviolet ou visible, voire dans Se proche ou moyen infrarouge. Cette information de nature spectrale est en outre couplée à une information topographique (relief de la surface) présentant une résolution spatiale - latérale - comparable.
Dans !e cas où le rayonnement utilisé est de type X, sa grande profondeur de pénétration permet en outre de caractériser des couches et des interfaces enterrées.
Par « rayonnement X », ou « rayons X » on entend un rayonnement électromagnétique présentant une longueur d'onde comprise entre 0,01 nm et 10 nm ou, de manière approximativement équivalente, une énergie comprise entre 120 eV (elettronvolts) et 120 keV. Par « rayonnement uitravioiet », ou « UV » on entend un rayonnement électromagnétique présentant une longueur d'onde comprise entre 10 nm et 400 nm (approximativement entre 3 et 120 eV). Par « rayonnement visible » on entend, conventionnellement, un rayonnement électromagnétique présentant une longueur d'onde comprise entre 400 nm et 780 nm (approximativement entre 1 ,5 et 3 eV). Par « proche ou moyen infrarouge » on entend un rayonnement électromagnétique présentant une longueur d'onde comprise entre 780 nm et 3 pm (approximativement entre 0,4 et 1 ,5 eV).
La spectroscopie de rayons X est une technique d'analyse chimique des solides très puissante, permettant de connaître la composition chimique d'un échantillon et même les distances interatomiques dans cet échantillon. Le principe d'une analyse conventionnelle de fluorescence de rayons X (XRF) est illustré sur la figure 6. Un faisceau d'excitation de rayons X (référence FEX), généré par un synchrotron ou une source de laboratoire de type anode tournante, focalisé ou non, est incident sur la surface SE d'un échantillon E à analyser. Le faisceau incident est souvent focalisé en utilisant des systèmes KB (Kirkpatrick-Baez) et/ou à base des lentilles de Fresnel (non représentés). La taille du faisceau excitateur est typiquement de l'ordre de 5 pm2 dans le cas d'un faisceau synchrotron, et de 100 pm2 avec une source de laboratoire. Cela limite la résolution latérale pouvant être obtenue.
Un système de détection D est placé en champ lointain, à une distance r (typiquement quelques centimètres) de la zone irradiée pour détecter le rayonnement électromagnétique de fluorescence émis par ladite zone irradiée. Ce rayonnement de fluorescence peut être un rayonnement X, ultraviolet, visible ou même dans le proche ou moyen infrarouge. La fluorescence, d'intensité lo, est émise sur 4π stéradians. Par conséquent, le signal collecté est proportionnel à Ιοβρ πΓ2, SD étant la surface du système de détection. La distance r entre la surface et le système de détection ne peut être diminuée arbitrairement pour des raisons d'encombrement stérique ; donc, pour améliorer le rapport signal sur bruit il est nécessaire d'augmenter S0 et donc de travailler à haut flux incident. Le flux maximal est cependant limité par la brillance de la source de rayonnement d'excitation, ainsi que par le seuil d'endommagement de la surface. La focalisation du faisceau d'excitation permet d'améliorer la résolution latérale de la mesure (dans les limites indiquées ci-dessus), mais pas d'améliorer le rapport signal sur bruit, car la surface irradiée diminue dans le même rapport que l'augmentation de la densité de puissance incidente.
Suivant le signal que l'on souhaite recueillir (rayons X, UV, visible voire infrarouge) le système de détection D peut être :
soit un système de détection de rayons X à dispersion d'énergie (« EDX »), qui permet une analyse spectrale du rayonnement de fluorescence X ; soit un système de détection ponctuel, tel qu'une photodiode ou une caméra CCD, couplé à un système dispersif ou à un monochromateur.
Cette technique ne permet pas d'acquérir une information de nature topographique en même temps que des spectres de fluorescence. Bien entendu, il est possible d'acquérir une image de microscopie à force atomique (AF ) avant ou après l'analyse chimique, mais il est alors difficile de corréler les données acquises séparément.
L'article de Y. Hosokawe et al. « An X-Ray Guide Tube and a Desk-Top Scanning Analytical Microscope », X-Ray Spectrometry, Vol. 26, pages 280-387 (1 997) décrit un microscope analytique à rayons X utilisant un capillaire pour diriger un faisceau collimaté de rayons X sur une région prédéterminée d'un échantillon à caractériser. Les rayons X transmis, ainsi que les rayons X secondaires émis par fluorescence sont détectés. Un microscope optique acquiert une image de la région de l'échantillon éclairée par les rayons X. Les données expérimentales présentées par cet article montrent une résolution spatiale de plusieurs micromètres, donc du même ordre de grandeur qu'en analyse XRF classique. En outre, comme dans la technique conventionnelle, aucune information topographique n'est acquise en même temps que les images optiques et les spectres de rayons X transmis et secondaires.
L'article de D. Pailharey et al. « Nanoscale x-ray absorption spectroscopy using XEOL-SNOM détection mode », Functionai Materiai and Technologies (FM&NT 2007) ; Journal of Physics : Conférence Séries 93 (2007), 012038 décrit une technique de caractérisation de surfaces couplant luminescence optique excitée par rayons X (XEOL) et microscopie optique en champ proche. Un faisceau de rayons X provenant d'un synchrotron est focalisé sur une surface à caractériser. La pointe d'un microscope optique en champ proche balaye cette surface et collecte le rayonnement lumineux (visible) émis par la surface irradiée. Ainsi, des données spectroscopiques et topographiques sont acquises simultanément (ces dernières sont obtenues par le mécanisme d'asservissement qui maintient la pointe du microscope optique en champ proche à une distance constante de la surface). La technique ne permet de détecter que le rayonnement émis par fa surface dans ta région visible du spectre électromagnétique (ou, tout au plus, comprise entre le proche infrarouge et ie proche ultraviolet). Les données expérimentales présentées par cet article montrent que la résolution spatiale (latérale) des données spectroscopiques est supérieure au micromètre. En outre, la méthode est assez complexe à mettre en œuvre.
Le document US 7,095,822 décrit une micro-sonde pour fluorescence X en champ proche. Cette micro-sonde se base sur une pointe de microscope à force atomique conventionnelle, du type à levier encastré. Ce levier encastré présente une région formant une micro-anode génératrice de rayons X. Une source d'électrons dirige un faisceau électronique sur cette micro-anode, qui génère un faisceau (non collimaté) de rayons X. En raison de la grande proximité entre la micro-anode et la surface, seule une petite région de cette dernière est irradiée par les rayons X générés, et émet un rayonnement de fluorescence capté par un système de détection en champ lointain. Il est évident que cette technique est très complexe à mettre en oeuvre, car la présence d'un faisceau d'électrons nécessite de travailler sous ultravide. Pour la même raison, elle ne convient pas à la caractérisation d'échantillons biologiques.
L'invention vise à remédier, en tout ou en partie, aux inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention vise à procurer un dispositif de caractérisation topographique et spectroscopique de surfaces simple dans sa structure et dans son utilisation, pouvant être utilisé avec des modifications minimales dans plusieurs plages spectrales (tant en ce qui concerne le rayonnement d'excitation que le rayonnement secondaire détecté) et présentant une résolution latérale élevée.
Conformément à l'invention, ce but est atteint par un dispositif de caractérisation de surfaces comprenant :
- un capillaire dit d'imagerie pour guider un rayonnement électromagnétique ultraviolet ou X depuis ou vers une surface à caractériser, ledit capillaire ayant une extrémité dite avant, orientée vers ladite surface et présentant une ouverture de diamètre micrométrique ou sub-micrométrique ; et
un oscillateur micromécanique pour induire un mouvement oscillatoire dudit capillaire par rapport à ladite surface.
Dans fe dispositif de l'invention, le capillaire d'imagerie accomplit simultanément deux fonctions : il sert de guide d'onde pour un rayonnement électromagnétique (X, UV, visible ou proche/moyen infrarouge ; continu ou puisé) d'excitation, et/ou pour un rayonnement de fluorescence (qui peut être également X/UV ou bien visible, voire infrarouge) ; et de « palpeur » pour déterminer la topographie de la surface analysée.
L'utilisation de capillaires comme guides d'onde dans le domaine des rayons X est connue de l'art antérieur ; voir par exemple les articles suivants :
D. H . Bilderback, « Review of capillary x-ray optics from the 2nd International Capillary Optics Meeting », X-Ray Spectrom. 2003 : 32 : 195 - 207 ; et
D. H. Bilderback et al. « Monocapillary Optics Develpements and Applications », Advances in X-ray Analysis, Volume 46, 2002, pages 320 - 325.
Un capillaire est défini généralement comme un tube présentant un petit diamètre intérieur (typiquement, inférieur à 1 mm) ; par extension, il peut s'agir d'un faisceau de tels tubes, parallèles entre eux ; on distingue alors entre « monocapillaire » et « polycapillaire ». Dans le domaine des rayons X, l'indice de réfraction change peu d'un matériau à un autre ; par conséquent, des capillaires en métal, silicium, verre, silice etc. peuvent être utilisés. En revanche, il est nécessaire que la surface interne soit lisse à une échelle nanométrique. Les capillaires utilisés dans l'optique des rayons X peuvent présenter une courbure et ne sont pas nécessairement cylindriques ; au contraire, une forme intérieure galbée et effilée (par exemple, avec un profil elliptique ou parabolique) est souvent requise pour focaliser les rayons X. Il est aussi possible d'utiliser, en tant que capillaires à rayons X, des fibres à cristaux photonique à cœur creux. Ces fibres conviennent également pour Se guidage du rayonnement infrarouge, visible ou ultraviolet. D'une manière générale, elles sont mieux adaptées à la captation du rayonnement de fluorescence qu'à l'amenée du rayonnement d'excitation.
Par « diamètre micrométrique » on entend un diamètre compris entre 1 pm et 10 pm environ ; par « diamètre sub-micrométrique » on entend un diamètre inférieur à 1 pm, et notamment compris entre 10 nm et 1 Mm.
Selon différentes caractéristiques de l'invention, prises séparément ou en combinaison :
Ledit capillaire d'imagerie peut être un mono-capillaire, son extrémité avant présentant de préférence une ouverture de diamètre compris entre 10 nm et 1 pm.
- Le dispositif peut comporter également un mécanisme d'actionnement pour provoquer un déplacement relatif du capillaire et de la surface dans trois directions de l'espace, un asservissement étant prévu pour maintenir une distance constante entre l'extrémité avant du capillaire et la surface en exploitant un signal de rétroaction fonction de l'amplitude et/ou de la fréquence dudit mouvement oscillatoire. De préférence, ladite distance constante peut être comprise entre 1 et 100 nm, et en particulier être de l'ordre de 10 nm. De préférence, le déplacement relatif dans le plan de la surface peut être obtenu en déplaçant la surface de l'échantillon sous le capillaire ; le déplacement perpendiculaire à la surface, piloté par ledit asservissement, peut être réalisé par la surface ou par le capillaire.
Le dispositif peut comporter également un ampèremètre susceptible d'être connecté à la surface à caractériser pour mesurer un courant électrique induit par un rayonnement ultraviolet ou X dirigé vers une région de ladite surface par ledit capillaire d'imagerie.
- Le dispositif peut comporter également un deuxième capillaire (mono- ou, de préférence, polycapillaire) ayant une extrémité dite avant présentant un diamètre supérieur à celui du capillaire d'imagerie et orientée vers une région de la surface à caractériser située directement au- dessous de l'ouverture avant dudit capillaire d'imagerie. Dans ce cas, le dispositif peut comporter également un système d'analyse spectrale d'un rayonnement électromagnétique infrarouge, visible, ultraviolet ou X, continu ou puisé, couplé audit deuxième capillaire ; et/ou une. source de rayonnement ultraviolet ou X couplé audit capillaire d'imagerie. En variante, le dispositif peut comprendre également un système d'analyse spectrale d'un rayonnement infrarouge, visible ultraviolet ou X couplé audit capillaire d'imagerie et/ou une source de rayonnement dans le proche ou moyen infrarouge, visible ultraviolet ou X couplé audit deuxième capillaire.
En variante, le dispositif peut comporter également une lame séparatrice disposée à proximité d'une extrémité dite arrière dudit capillaire d'imagerie, opposée à ladite extrémité avant, ladite lame séparatrice étant adaptée pour séparer un premier faisceau de rayonnement électromagnétique, dirigé vers l'extrémité arrière dudit capillaire d'imagerie et présentant au moins une première longueur d'onde, d'un deuxième faisceau de rayonnement électromagnétique provenant de l'extrémité arrière dudit capillaire d'imagerie et présentant au moins une deuxième longueur d'onde différente de la première. Dans ce cas, le dispositif peut comporter également une source de rayonnement proche/moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X, continu ou puisé, pour générer ledit premier faisceau de rayonnement électromagnétique, et/ou un système d'analyse spectrale dudit deuxième faisceau de rayonnement électromagnétique. En particulier, ladite lame séparatrice peut être une lame monocristailine adaptée pour laisser passer ledit premier faisceau et réfléchir ledit deuxième faisceau par diffraction de Bragg, ou inversement, lesdits premier et deuxième faisceaux étant des faisceaux de rayons X. Plus particulièrement encore, ladite lame séparatrice peut être adaptée pour réfléchir une composante spectrale dudit deuxième faisceau par diffraction de Bragg vers un système de détection de rayonnement, des moyens d'actionnement de iadite lame et dudit système de détection étant prévus pour sélectionner ladite composante spectrale de manière à analyser ledit deuxième faisceau. En variante, ladite lame 11 052423
8 séparatrice peut être une lame monocristalline présentant un revêtement métallique, adaptée pour laisser passer ledit premier faisceau, de rayons X, et pour réfléchir ledit deuxième faisceau, proche/moyen infrarouge, visible ou ultraviolet.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un dispositif tel que décrit ci-dessus pour acquérir simultanément une information topographique et une information spectroscopique résolue spatialement sur une surface à caractériser.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à Sa lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
La figure 1 , un schéma d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 2, un schéma d'un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 3, un schéma d'un dispositif selon une première variante dudit troisième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 4, un schéma d'un dispositif selon une deuxième variante dudit troisième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 5, un schéma d'un dispositif selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; et
La figure 6, un schéma d'un analyseur de fluorescence de rayons X conventionnel.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 1 , un faisceau d'excitation FEX (rayons X ou UV), généré par une source de rayonnement SRE (synchrotron, source X de laboratoire, laser...) est dirigé sur la surface SE de l'échantillon E à caractériser par un polycapiilaire C2 ayant un diamètre de plusieurs pm (micromètres), de manière à irradier une région RI de ladite surface présentant un diamètre typiquement inférieur à 100 pm, par exemple d'environ 1 à 50 pm. Le polycapiilaire C2 est incliné par rapport à la surface de manière à ne pas empêcher d'approcher à la surface Se monocapillaire d'imagerie Ci , utilisé pour recueillir le rayonnement secondaire de fluorescence RSF et le conduire jusqu'à un système de détection D, de préférence adapté pour réaliser une analyse spectrale de ce rayonnement (détecteur EDX, monochromateur...).
Le capillaire Ci est fixé à un bras d'un diapason piézoélectrique DP, l'axe du capillaire étant parallèle à celui dudit bras et perpendiculaire à la surface SE de l'échantillon à caractériser. Ainsi, le capillaire C-i oscille dans une direction parallèle à la surface, comme une pointe de microscope à force de cisaillement ; l'amplitude de l'oscillation est à l'échelle nanométrique (1 - 100 nm, et typiquement de l'ordre de 30 nm), et de préférence inférieure au diamètre de l'ouverture de l'extrémité avant EAci du capillaire.
Comme dans un microscope de ce type, le capillaire balaye une région prédéterminée de la surface SE, qui coïncide avec - ou est incluse dans - la région irradiée par le faisceau d'excitation amené par C-2. Un mécanisme d'actionnement est prévu à cet effet. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 2, ce mécanisme déplace l'échantillon dans le plan de sa surface, alors que les capillaires sont maintenus fixes, pour ne pas perdre leur alignement réciproque.
Le mécanisme d'actionnement est également prévu pour déplacer l'échantillon dans une direction verticale (perpendiculaire à Sa surface et/ou parallèle à l'axe du capillaire Ci) ; ce déplacement est piloté par un système d'asservissement qui maintient constante l'amplitude et/ou la fréquence d'oscillation du diapason. D'une manière connue, cela revient à assurer une distance constante (de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres, per exemple entre 5 et 50 nm) entre ladite extrémité avant du capillaire et la surface ; on parle alors de « champ proche », ou « champ proche mécanique », pour distinguer cette condition du « champ proche optique », notion qui dépend de la longueur d'onde du rayonnement considéré.
L'enregistrement des déplacements verticaux de l'échantillon permet d'obtenir un profil de la surface SE. La résolution latérale de mesure dépend essentiellement de l'ouverture de l'extrémité avant EAci du capillaire. Le diamètre de cette ouverture est de préférence inférieur ou égal à 1 μηη, et peut être aussi faible que 10 - 20 nm. La limite inférieure actuelle est à la fois technologique et liée à la nécessité de recueillir un flux de rayonnement secondaire suffisant.
Pour améliorer la résolution latérale de la caractérisation topographique de la surface, il est possible de disposer à l'extrémité avant du capillaire C1 une fine pointe en matériau organique (polymère), transparent aux rayons X. La technologie de fabrication d'une telle pointe est décrite par les documents WO03012504 et FR2734914, ainsi que dans les articles suivants :
R. Bachelot et al. « Intégration of micrometer-sized polymer éléments at the end of optical fibers by free-radical photopolymerization », Applied Optics, Vol. 40, No. 32, pages 5860 - 5871 , 10 novembre 2001 .
- M. Hochine et ai. « End-of-fiber polymer tip : manufacturing an modeling », Synthetic Metals 12 (2003), pages 31 3 - 318.
Le procédé a été mis à point pour des fibres optiques conventionnelles, mais peut être transféré à des fibres à cristaux photoniques à cœur creux ou à d'autres types de capillaires.
Le mécanisme d'actionnement et son asservissement sont représentés de manière schématique sur la figure 2 (référence MA) ; ils peuvent être ceux d'un microscope optique en champ proche de type conventionnel.
Concrètement, il est possible d'obtenir une cartographie tridimensionnelle de ia surface avec une résolution latérale inférieure ou égale à 1 00 nm.
En variante, le mécanisme d'actionnement peut déplacer horizontaiement l'échantillon (c'est à dire dans le plan de sa surface) et verticalement le capillaire Ci . En effet, ce déplacement vertical n'affecte pas, ou faiblement, l'alignement entre les capillaires. Dans les modes de réalisation « auto-alignés » (figures 3 et 4) on peut même envisager de déplacer l'unique capillaire dans les trois directions de l'espace et maintenir fixe l'échantillon.
L'ouverture avant, effilée et galbée, du capillaire C-i permet de recueillir en champ proche (au sens mécanique) le rayonnement secondaire émis par la portion de la surface SE qui se trouve directement au-dessous dudit capillaire, pour l'amener à un spectromètre ou monochromateur déporté. La petite taille du capillaire Ci minimise les problèmes d'encombrement stérique, et permet de rapprocher l'ouverture de collecte du rayonnement de la surface. Il en résulte une grande efficacité de collection et une résolution spatiale élevée. En fonction de îa brillance de la source de rayonnement couplée au capillaire C2, !a résolution spatiale en spectroscopie est de l'ordre du diamètre de l'ouverture avant du capillaire Ci . Si on utilise une source d'excitation à brillance élevée, il est possible de réduire la taille de l'ouverture du capillaire Ci pour obtenir des résolutions latérales inférieures à 100 nm. Dans le domaine UV, une telle source peut être obtenue, par exemple, en focalisant un faisceau laser à femtosecondes sur une surface solide ; voir par exemple G. Kazutaka al, « Picosecond time-resolved X-ray diffraction from laser-shocked semiconductors » Laser and Particle Beams (2004), 22:3:285-288. Des lasers à femtosecondes ou à picosecondes, dans le visible, proche UV voire proche ou moyen infrarouge, peuvent aussi être utilisés directement en tant que source d'excitation, notamment de marqueurs dans des applications à îa biologie. Dans ce cas, l'utilisation d'un capillaire est avantageuse, par rapport à celle d'une fibre optique, car elle permet d'éviter les effets non linéaires tels que l'automodulation de phase, ainsi que l'allongement des impulsions à cause de la dispersion du matériau de la fibre.
A titre d'exemple non limitatif, le faisceau excitateur peut présenter une énergie comprise entre 20 et 25 keV, et le spectromètre de détection peut être alors sensible dans la plage 2 - 20 keV. Le faisceau excitateur peut être à bande étroite, notamment s'il s'agit d'un faisceau X, mais cela n'est nullement nécessaire. En fonction de la nature de l'échantillon, de l'énergie des photons d'excitation et de la brillance de la source, la profondeur de pénétration desdits photons peut varier d'environ 100 nm à plusieurs dizaines de micromètres (avec une source synchrotron). Dans certains modes de réalisation, le dispositif de l'invention permet donc de caractériser chimiquement la sous-surface de l'échantillon (couches et interfaces enterrées), en plus de la surface au sens propre.
Dans une variante du mode de réalisation de la figure 1 , le deuxième capillaire C2 pourrait être omis. Dans ce cas, le faisceau d'excitation serait un faisceau focalisé en propagation libre.
Le diapason piézoélectrique DP peut être remplacé par tout autre oscillateur micromécanique, et en particulier microélectromécanique, approprié. Cela est vrai pour tous les modes de réalisation de l'invention.
Le mode de réalisation de la figure 2 se différencie de celui de la figure 1 en ce que le capillaire d'imagerie C^ est utilisé pour amener sur l'échantillon le faisceau d'excitation (excitation en champ proche, au moins au sens mécanique), et le deuxième capillaire C2 est utilisé pour collecter le signal (détection en champ lointain). Le principal avantage de ce mode de réalisation alternatif est de permettre, simultanément à l'analyse chimique et topographique, de réaliser une mesure du courant électrique lXBic de l'échantillon sous irradiation X (« XBIC », pour « X-Beam Induced Current », c'est à dire courant induit par faisceau X). Ceci apporte des renseignements supplémentaires sur l'écoulement des charges au voisinage des défauts au- dessous de la surface ou sur le comportement électrique de nanoparticules incluses dans une matrice. Etant donné que le courant est généré seulement par la très petite région irradiée RP, un ampèremètre A relié à la surface permet de réaliser une mesure XBIC avec une résolution spatiale sub- micrométrique.
Dans une variante du mode de réalisation de la figure 2, le deuxième capillaire C2 pourrait être omis. Dans ce cas, la détection du signal de fluorescence se ferait comme dans le cas de la figure 6.
Le premier et le deuxième mode de réalisation de l'invention posent le problème de l'alignement entre le capillaire d'excitation et celui de détection. Le troisième mode de réalisation, dont deux variantes font l'objet des figures 3 et 4, résout ce problème en utilisant le seul capillaire d'imagerie Ci tant comme source d'excitation que comme sonde de collecte du rayonnement secondaire (ainsi qu'en tant que sonde de topographie de Sa surface de l'échantillon). Cela permet un auto-alignement du dispositif.
Ce mode de réalisation nécessite une lame séparatrice pour séparer le faisceau d'excitation FEX, provenant de la source et devant être injecté dans le capillaire C† par son extrémité arrière ouverte, et !e rayonnement secondaire de fluorescence RSF qui sort de ladite extrémité arrière en direction du système de détection.
Si ie rayonnement d'excitation est de type ultraviolet, on peut utiliser une lame séparatrice de type conventionnel, susceptible d'opérer dans cette plage spectrale ; dans ce cas, le faisceau d'excitation peut traverser la lame et ie rayonnement de fluorescence être réfléchi, ou inversement.
Dans le cas d'un rayonnement d'excitation de type X et d'une détection de fluorescence X, il est préférable d'utiliser une lame monocristalline LM susceptible de produire une diffraction de Bragg dudit rayonnement d'excitation ou du rayonnement de fluorescence. Par exemple, à 20 keV on peut utiliser une lame de HOPG (Graphite Pyroiytique Hautement Orientée), qui est pratiquement transparente à cette longueur d'onde. Comme le montre la figure 3, le faisceau d'excitation FEX traverse la lame LM. Le faisceau de fluorescence RSF est dévié par la lame seulement si la condition de Bragg est respectée, c'est à dire si la lame LM forme avec la surface SE un angle Θ tel que 2àsin(0) - ηλ où d est la distance entre Ses plans atomiques de la lame monocristalline, λ est la longueur d'onde du rayonnement de fluorescence (ou plutôt d'une de ses composantes spectrales) et n est un entier différent de zéro. On comprend que la lame LM ne constitue pas seulement une lame séparatrice, mais également un élément de sélection spectrale. Si elle est motorisée pour tourner à une vitesse angulaire ω, et le système de détection D tourne à une vitesse angulaire 2ω, on réalise un monochromateur en configuration Θ -2 Θ . Il n'est donc plus nécessaire d'utiliser un détecteur EDX une simple jonction PIN suffit. . Si on est intéressé par la détection d'une fluorescence infrarouge, visible ou ultraviolette, il suffit de déposer une couche métallique CM mince (environ 200 nm d'épaisseur) sur la lame L , fonctionnant comme un miroir (figure 4) pour réfléchir ce rayonnement de fluorescence infrarouge, visible ou UV vers un spectromètre optique SM. Si l'on souhaite revenir à une analyse de fluorescence X, comme les rayons X traversent la couche mince métallique, il suffit de changer le système de détection - en remplaçant le spectromètre par simple jonction PIN - et motoriser la lame (et le système de détection) pour retrouver la configuration de la figure 3.
L'oscillateur microélectromécanique couplé au capillaire Ci a été omis des figures 3 et 4 dans un souci de clarté.
Jusqu'ici on a considéré uniquement le cas d'un capillaire d'imagerie Ci monté de manière à osciller dans une direction parallèle à la surface SE. il ne s'agit pas là d'une limitation de l'invention, qui peut fonctionner également en faisant osciller le capillaire d'imagerie dans une direction perpendiculaire à la surface, comme une pointe de microscope à force atomique (AFM). La figure 6 montre une telle configuration, dans laquelle le capillaire Ci est très court, et en fait constitué par une pointe d'AFM percée.
Comme le mode de réalisation de la figure 2, ceux des figures
3 à 5 permettent une mesure du courant lXsic-

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de caractérisation de surfaces caractérisé en ce qu'il comprend :
un capillaire (Ci) dit d'imagerie pour guider un rayonnement électromagnétique proche ou moyen infrarouge, visibie ultraviolet ou X depuis ou vers une surface (SE) à caractériser, ledit capillaire ayant une extrémité dite avant (EACi), orientée vers ladite surface et présentant une ouverture de diamètre micrométrique ou sub-micrométrique ; et
un oscillateur micromécanique (DP) pour induire un mouvement oscillatoire dudit capillaire par rapport à ladite surface.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel ledit capillaire d'imagerie est un mono-capillaire et son extrémité avant présente une ouverture de diamètre compris entre 10 nm et 1 μιη.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comportant également un mécanisme d'actionnement (MA) pour provoquer un déplacement relatif du capillaire et de la surface dans trois directions de l'espace, un asservissement étant prévu pour maintenir une distance constante entre l'extrémité avant du capillaire et la surface en exploitant un signal de rétroaction fonction de l'amplitude et/ou de la fréquence dudit mouvement oscillatoire.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comportant également un ampèremètre (AM) susceptible d'être connecté à la surface à caractériser pour mesurer un courant électrique (lXBic) induit par un rayonnement proche ou moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X dirigé vers une région de ladite surface par ledit capillaire d'imagerie.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comportant également un deuxième capillaire (C2) ayant une extrémité dite avant présentant un diamètre supérieur à celui du capillaire d'imagerie et orientée vers une région de la surface à caractériser située directement au- dessous de l'ouverture avant dudit capillaire d'imagerie
6. Dispositif selon ia revendication 5 comprenant également un système (D) d'analyse spectrale d'un rayonnement électromagnétique proche ou moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X couplé audit deuxième capillaire.
7. Dispositif selon la revendication 6 comprenant également une source (SRE) de rayonnement proche ou moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X couplé audit capillaire d'imagerie.
8. Dispositif selon la revendication 5 comprenant également un système d'analyse spectrale d'un rayonnement proche ou moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X couplé audit capillaire d'imagerie.
9. Dispositif selon la revendication 8 comprenant également une source de rayonnement proche ou moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X couplé audit deuxième capillaire.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 comportant également une lame séparatrice (LM, CM) disposée à proximité d'une extrémité dite arrière dudit capillaire d'imagerie, opposée à ladite extrémité avant, ladite lame séparatrice étant adaptée pour séparer un premier faisceau de rayonnement électromagnétique, dit faisceau excitateur, dirigé vers l'extrémité arrière dudit capillaire d'imagerie et présentant au moins une première longueur d'onde, d'un deuxième faisceau de rayonnement électromagnétique, dit faisceau secondaire, émis par ladite surface et ressortant par de l'extrémité arrière dudit capillaire d'imagerie et présentant au moins une deuxième longueur d'onde différente de la première.
1 1 . Dispositif selon la revendication 10 comportant également une source de rayonnement proche ou moyen infrarouge, visible, ultraviolet ou X pour générer ledit premier faisceau de rayonnement électromagnétique.
12. Dispositif selon l'une des revendications 10 ou 1 1 comportant également un système d'analyse spectrale dudit deuxième faisceau de rayonnement électromagnétique.
13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12 dans lequel ladite lame séparatrice est une lame monocristalline (LM) adaptée pour laisser passer ledit premier faisceau et réfléchir ledit deuxième faisceau par diffraction de Bragg, ou inversement, lesdits premier et deuxième faisceaux étant des faisceaux de rayons X.
14. Dispositif selon ies revendications 12 et 13 dans lequel ladite lame séparatrice est adaptée pour réfléchir une composante spectrale dudit deuxième faisceau par diffraction de Bragg vers un système de détection de rayonnement, des moyens d'actionnement de ladite lame et dudit système de détection étant prévus pour sélectionner ladite composante spectrale de manière à analyser ledit deuxième faisceau.
15. Dispositif selon l'une des revendications 1 0 à 12 dans lequel ladite lame séparatrice est une lame monocristalline présentant un revêtement métallique (CM), adaptée pour laisser passer ledit premier faisceau, de rayons X, et pour réfléchir ledit deuxième faisceau, proche ou moyen infrarouge, visible ou ultraviolet.
16. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes pour acquérir simultanément une information topographique et une information spectroscopique résolue spatialement sur une surface (SE) à caractériser.
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