Les Défis du CEA n°164 octobre 2011
Les Défis du CEA n°164 octobre 2011
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°164 de octobre 2011

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (200 x 297) mm

  • Nombre de pages : 20

  • Taille du fichier PDF : 4,1 Mo

  • Dans ce numéro : nanocaractérisation... les paparazzis de l'atome.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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8 P.Avavian/CEA À la une les défis du cea octobre 2011 « Seuls quelques laboratoires en Europe développent cette nouvelle technique d’holographie électronique. » Pascale Bayle-Guillemaud, spécialiste en microscopie électronique-CEA-Inac » > EXPÉRIMENTATION Nanosonde Auger utilisée pour l’analyse de surface. disposition, localisation) et surtout sur leur arrangement, leur nature et leur environnement chimique », explique Pascale Bayle-Guillemaud. Pour cela, les instituts partenaires disposaient certes d’outils de caractérisation, mais ils étaient dispersés sur le site grenoblois. Vers 2004, l’idée émerge de rassembler ces équipements, et surtout les compétences qui vont avec, afin d’obtenir une « masse critique » et créer une nouvelle dynamique. Après deux ans de réflexion, la PFNC était née. « C’est devenu une structure unique en Europe, dédiée aux nano - sciences et aux nanotechnologies, rassemblant sept centres de compétences autour de presque autant de techniques de caractérisation (voir l’encadré ci-dessous) », résume Jean-Claude Royer, du CEA-Leti. Dotée de financements de différentes provenances, en particulier le programme RTB 5, auquel s’ajoutent des fonds de la Fondation Nanosciences aux limites de la nanoélectronique 6 de Grenoble et des instituts eux-mêmes, la plateforme peut investir environ 3,5 millions d’euros par an dans des SIX TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION Microscopie électronique Envoi sur l’échantillon d’un faisceau de lumière pour former une image, obtenir un cliché de diffraction ou un spectre d’énergie. Technologie versatile aux différentes « variétés » : imagerie ultra-haute résolution, précession électronique, holographie, spectroscopie, tomographie (reconstruction d’une image en volume). Analyse par rayons X Analyse chimique, cartographie de la texture de l’échantillon et mesure des déformations cristallines dans les nanostructures, avec des sources X haute brillance de laboratoire et les rayonnements X des synchrotrons, en particulier celui de l’ESRF (reconstruction d’une image en volume). notes : 5. Porté par le CEA-Leti et l’Insis (Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes, CNRS), ce programme axé sur les nanosciences appartient au Réseau national de grandes centrales de technologie pour la recherche technologique de base (Renatech) lancé en 2003. 6. Un réseau thématique de recherche avancée (RTRA, structures créées en 2006 par la loi de programme pour la recherche). Analyse par faisceaux d’ions focalisés (SIMS, MEIS, sonde atomique) Étude par spectroscopie de l’émission des ions d’un échantillon soumis à un bombardement ionique ou laser. Analyse de la composition d’un échantillon, avec informations 3D grâce à la sonde atomique récemment acquise par la PFNC, avec une très grande sensibilité (ppm, voireppb) et une résolution en profondeur (50 nm latéralement).
numéro 164 les d éfis du cea outils de pointe comme une sonde atomique l’année dernière, le Titan pico cette année, etc. « Ce sont des équipements coûteux (plus d’un million d’euros chacun), il faut donc planifier les investissements en fonction des besoins et des compétences. Notre rôle est de travailler ensemble pour répondre aux besoins des programmes du CEA, voire de les anticiper, en développant de nouvelles méthodologies d’analyse et de quantification », précise Pascale Bayle- Guillemaud. En effet, la PFNC ne se réduit pas à un parc d’instruments performants ou à une unité de service. Exploiter de tels outils réclame certes des compétences aussi diverses que la préparation de l’échantillon, le choix de la technique utilisée, la détection et l’analyse du signal, puis, éventuellement, une simulation. La mission de la plateforme va plus loin : il lui faut aussi, en fonction des besoins et de l’état de l’art, concevoir et développer de nouvelles méthodes de caractérisation, de nouveaux logiciels de traitement des données. En ce sens, il s’agit bien – aussi – d’une unité de recherche, dont les résultats conduisent à des publications et à des brevets. Observation en 3D En effet, au-delà de l’utilisation « classique » des instruments, les chercheurs ont inventé de nouvelles manières de les exploiter pour en tirer de nouveaux types de données. En particulier avec les microscopes électroniques à transmission, instruments très versatiles. Il en est ainsi de l’holographie électronique, au principe similaire à celui de l’holographie optique, mais avec les électrons d’un microscope plutôt que les photons d’un laser. « Nous envoyons un faisceau, dont une partie dans le vide sert de référence, et une autre déphasée rencontre l’échantillon. Puis, grâce à un « biprisme » placé plus loin, nous les faisons interférer pour créer un hologramme. Seuls quelques laboratoires en Europe développent cette nouvelle technique », souligne Pascale Bayle-Guillemaud. L’holographie permet entre autres de voir et de quantifier des champs cartographiés à une échelle minuscule, ou de repérer la présence de « dopants » dans un nanofil de silicium. Autre grande spécialité de la plateforme : la Analyse de surface Mesure de l’énergie cinétique d’électrons caractéristiques des éléments présents sur les 10 premiers nanomètres d’un échantillon excité avec des rayons X ou des électrons (effet Auger), pour obtenir des informations sur la nature et les liaisons des atomes présents. représentation en trois dimensions par tomographie. C’est d’ailleurs un des seuls endroits au monde où il est possible d’observer des échantillons en volume sur une gamme d’échelle allant de l’angström (grâce à la sonde atomique qui « pèle » un à un les atomes de l’échantillon) au millimètre (tomographie par rayons X), en passant par la microscopie électronique qui permet de fournir des volumes de quelques nanomètres de résolution. La plateforme utilise beaucoup la diffraction électronique et pratique, depuis peu, la « précession », une autre manière d’exploiter les données. On peut visualiser, par exemple, comment les atomes de lithium déforment leur structure cristalline dans les matériaux pour électrodes d’une batterie lithium/ion, et ainsi expliquer la dégradation du matériau. « C’est une méthode inventée récemment par un professeur de l’INPG 7, qui a été immédia- notes : 7. Institut national polytechnique de Grenoble. Angström//Ordre de grandeur du rayon des atomes équivalant à 10 -10 mètres. Résonance magnétique Exploration de la matière jusqu’aux structures moléculaires en utilisant la capacité de certains atomes, placés dans un champ magnétique intense, à interagir avec un rayonnement électromagnétique incidant à une fréquence bien définie qui dépend de leur environnement atomique. » > Images de nanotubes de silicium obtenues par microscope électronique à balayage. Microscopie en champ proche, à effet tunnel ou à force atomique Visualisation de la surface des matériaux à l’échelle nanométrique, voire atomique, et analyse de leurs propriétés mécaniques, électriques ou chimiques en utilisant une pointe sonde très fine. 9 P.Stroppa/CEA



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