Analyse de Surface

  • Personnels :

Pr Jean-François Paul (Responsable du pôle) – jean-francois.paul@univ-lille.fr tel : 03.20.33.77.34
Dr. Pardis Simon (XPS, NAP-XPS) – pardis.simon@univ-lille.fr tel : 03.20.43.45.47
Dr. Nicolas Nuns (ToF-SIMS, LEIS) – nicolas.nuns@univ-lille.fr tel : 03.20.43.45.48

Membre du Comité Spectroscopie Electronique de la SFV
Membre de la Fédération de Recherche Spectroscopies de PhotoEmission (FR SPE)

  • Formulaire de demande d’analyse :

Veuillez télécharger le formulaire de demande d’analyse ici : FR |EN et renvoyer le document complété à l’adresse suivante : pole-analyse-de-surfaces@univ-lille.fr

  • Guides des bonnes pratiques en Analyse de Surface

XPS | ToF-SIMS

  • Les échantillons peuvent être envoyés à l’adresse suivante :

Pôle Analyse de surface
Institut Chevreul FR CNRS 2638
Avenue Paul Langevin – bâtiment Chevreul
Cité Scientifique
59655 Villeneuve d’Ascq cedex
France

 

  • Le Pôle Analyse de Surface est composé de deux groupes d’instruments :

– Un cluster d’instruments combinés sous Ultra Vide (UHV) :
XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) | ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy) | LEIS (Low Energy Ion Scattering) | Chambre de traitements thermiques

– Un XPS environnemental (NAP-XPS)

Combinaison XPS | ToF-SIMS | LEIS | Chambre de traitements thermiques

Combinaison sous ultravide des Techniques XPS | ToF-SIMS | LEIS | Chambre de traitements thermiques

– Les trois spectromètres et la chambre de traitements thermiques sont combinés sous ultravide grâce à une chambre de distribution radiale.

– Les porte-échantillons sont adaptés pour un transfert entres les 4 instruments.

 

XPS – Spectrométrie de Photoélectrons Induits par Rayons-X :

Instrument KRATOS AXIS UltraDLD (2009)

XPS et chambre d’analyse

La Spectrométrie de Photoélectrons induits par rayons X (XPS) est une technique puissante qui combine les avantages de la spécificité chimique et élémentaire, d’une sensibilité de surface élevée et d’une analyse quantitative de la composition de la surface. La technique XPS est basée sur l’effet photoélectrique. Sous ultravide, une source de rayons X est utilisée pour illuminer la surface d’un échantillon. Les électrons photoionisés des niveaux de valence et de cœur sont ensuite analysés par un analyseur d’électrons. Le spectre des photoélectrons induits par les rayons X est alors obtenu comme l’intensité des photoélectrons en fonction de leur énergie cinétique.

La profondeur d’analyse est d’environ 5 nm, la sensibilité d’environ 0,5 % atomique et la plupart des échantillons peuvent être analysés de manière non invasive ou non destructive.

Le mode d’imagerie X donne également accès à la possibilité d’obtenir des cartographie de surface élémentaires et chimiques. La résolution latérale peut aller de 15 à 100 microns.

  • Spécifications du Kratos Axis Ultra DLD

– Source de rayons X monochromatique Al Kα (1486,6 eV)
– Anode double Al Kα (1486,6 eV) et Mg Kα (1253,6 eV)
– Optique magnétique et électrostatique hybride avec analyseur hémisphérique
– Sélection de la zone d’analyse par fentes d’entrée : 300 µm x 700 µm, 110 µm, 55 µm, 27 µm ou 15 μm.
– Détecteur d’électron 2D – DLD
– Platine porte-échantillon à 4 axes (x, y, z, θ) permettant des études résolues en angle pour des profils en profondeur non destructifs.
– Platine porte-échantillon à température contrôlée avec une plage de -100 à 600 °C
– Source Ar+ de 5 keV pour le profilage en profondeur et le nettoyage de surface
– Système de neutralisation des charges pour l’analyse des échantillons isolants

  • Soumission des échantillons

– Les échantillons qui peuvent être analysés par XPS sont les suivants : Echantillons sous forme de poudres, polymères, aciers et alliages métalliques, films minces, mousses solides…
– Taille maximale des échantillons (L x l x h) : 80 mm x 30 mm x 4 mm
– Les échantillons doivent être stables jusqu’à 2.10-10 mbar
– Les porte-échantillons sont adaptés pour une analyse par ToF-SIMS et LEIS.

  • Exemples d’applications

Characterization of pseudocapacitive vanadium nitride thick films using coupled XPS and ToF-SIMS analysis (1)

Overview of the combined ToF-SIMS/XPS analyses at the surface, in the middle of the VN film, and at the VN/Si3N4 interface. Copyright A. Duchene / P. Simon / C. Lethien

(1) K. Robert, D. Stiévenard, D. Deresmes, C. Douard, A. Iadecola, D. Troadec, P. Simon, N. Nuns, M. Marinova, M. Huvé, P. Roussel, T. Brousse, and C. Lethien, « Novel insights into the charge storage mechanism in pseudocapacitive vanadium nitride thick films, » Energy Environ. Sci. (2020).

Determination of uranium oxidation state in a fluorinated ionic liquid [Bmim][PF6] (2)

XPS F 1s core level spectra and U 4f/N 1s core level spectra of the UF4 synthesized supernatant.

(2) F. Joly, P. Simon, X. Trivelli, M. Arab, B. Morel, P. L. Solari, J. Paul, P. Moisy, and C. Volkringer, « Direct conversion of uranium dioxide UO2 to uranium tetrafluoride UF4 using the fluorinated ionic liquid [Bmim][PF6], » Dalt. Trans. 49, 274–278 (2019).

TOF-SIMS:

IONTOF – TOF.SIMS5(2009)

Chambre d’analyse du TOF.SIMS5

La spectroscopie de masse d’ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS) est une technique analytique de haute sensibilité, qui s’applique à de nombreux domaines de la recherche académique et industrielle. Cette technique utilise un faisceau d’ions pulsés (ici Bi+) pour arracher des ions élémentaires et moléculaires de la surface de l’échantillon (< 4 monocouches). Les ions secondaires générés sont ensuite extraits et accélérés par un champ électrique et leur masse est déterminée en mesurant leur temps de vol jusqu’au détecteur.

L’analyseur du temps de vol permet l’obtention de spectres avec une haute résolution en masse et une détection parallèle de tous les ions.

  • Spécifications du TOF.SIMS5d’IONTOF

– Ions primaires : Bi+, Bi3+, Bi3++
– Résolution en masse : m/∆m > 10.000
– Détection des masses : parallèle
– Gamme de masse : “illimité”
– Mode d’analyse : SIMS en mode statique et SIMS en mode dynamique
– Canon d’érosion : Ar+, Cs+ et O2+ (de 0.25 à 2 keV)
– Résolution latérale : jusqu’à 150nm
– Résolution en profondeur : de l’ordre de quelques nm

Tout type d’échantillon compatible avec l’ultravide peut être analysé par ToF-SIMS : polymères, métaux, céramiques, tissues organiques, catalyseurs, semi-conducteurs, …

Préparation des échantillons : les analyses ToF-SIMS ne nécessitent pas de préparation particulière des échantillons. Néanmoins, il est recommandé d’avoir une topographie des échantillons la plus faible possible pour obtenir des spectres avec une bonne résolution en masse. Idéalement, les échantillons ont une taille de l’ordre de 1cm2 avec une épaisseur inférieure à 5 mm. La taille maximale des échantillons est de 5 cm x 10 cm et l’épaisseur maximale est 1 cm.

 

  • Exemples d’applications

Spectroscopie dans le domaine de la catalyse :

N.Nuns, S. Sultana, J.-M. Giraudon, N. De Geyter, R. Morent, J.-F. Lamonier, « Unraveling the role of iron in cryptomelane catalyst by ToF-SIMS fot trichloroethylene abatment in humid air » ECASIA 2017, Montpellier

Imagerie en science des matériaux :

Détection et imagerie du Lithium dans un matériau inorganique

Profils en profondeur et imagerie 3D :

M. Collinet-Fressancourt, N. Nuns, S. Bellayer, M. Traisnel « Characterization by TEM and ToF-SIMS of the oxyde layer formed during anaphoretic paint electrodeposition on Al-alloys » Applied Surface Science, Vol 277, (186-191) 2013.

LEIS:

  • IONTOF – Qtac 100

Le LEIS (Low Energy Ion Scattering) est une technique analytique sensible à la surface utilisée pour caractériser la composition chimique et structurelle des matériaux. Le principe du LEIS consiste à mesurer l’énergie cinétique des ions primaires après rebond sur la surface de l’échantillon à caractériser. Le LEIS permet d’obtenir la composition élémentaire de la première couche atomique d’un matériau et fournit aussi des profils dit statiques sur une profondeur allant jusqu’à 10 nm. Son extrême sensibilité à la surface et sa nature quantitative en font un outil puissant pour étudier les relations entre la chimie des surfaces et les phénomènes liés à la surface tels que le mouillage, l’adhésion, la contamination et la croissance des couches minces.

L’analyseur en énergie Qtac a été conçu par IONTOF. Cet analyseur permet de collecter les ions de façon azimutale avec un angle de 145°. Ces spécificités lui confèrent une grande sensibilité et une résolution de masse élevée.

  • Spécificités du Qtac 100 d’IONTOF

– Faisceau d’ions primaires : He+, Ne+, Ar+
– Résolution latérale de l’ordre de 10 µm
– Plasma hydrogène and oxygène pour le nettoyage des surfaces
– Surface analysée de 1 à 4 mm2 (pour le mode statique)
– Filtre de masse à temps de vol pour améliorer la limite de détection

  • Principales caractéristiques du Qtac 100 d’IONTOF

– 3000 fois plus sensible qu’un LEIS conventionnel
– Caractérisation élémentaire de la première couche atomique avec possibilité de quantification.
– Mode spectroscopie et mode imagerie
– Analyses d’échantillons sans préparation particulière, analyse d’échantillons isolants

  • Exemple d’application

Spectroscopie pour l’élaboration de semi-conducteurs :

LEIS spectra for ALD deposited zirconium oxide on a silicon substrate for 10, 20, 30, 30, 50, 70, and 100 cycles.

C. Cushman, P. Brüner, J. Zakel, G. Major, B. Lunt, N. Smith, T. Grehl and M. Linford, « Low energy ion scattering (LEIS). A practical introduction to its theory, instrumentation, and applications » Anal. Methods, 2016, 8, 3419-3439

Chambre de Traitements Thermiques:

Les échantillons peuvent être traités sous flux réactionnel (H2, CO, CO2, NO, O2, gaz inertes… ou vapeurs d’alcool léger) jusqu’à 900 °C, puis transférés sous vide vers les chambres d’analyse XPS, ToF-SIMS ou LEIS. Possibilité de connecter un spectromètre de masse pour analyser les gaz résiduels en sortie.

Chambre de traitements thermiques

NAP-XPS :

De plus amples informations seront publiées au fur et à mesure sur la page web de l’instrument.

Evénements :

  • Journées Nationales des Spectroscopies de PhotoEmission 2024 (JNSPE)

Les Journées Nationales des Spectroscopies de PhotoEmission (JNSPE), constituent l’évènement annuel de la Fédération de Recherche Spectroscopies de Photoémission FR SPE 2050.

La conférence JNSPE 2024 aura lieu du 15 au 17 Mai 2024 à Villeneuve d’Ascq.

Retrouvez toutes les informations sur le site web des JNSPE 2024 : https://www.jnspe.fr/

 

  • Journées des utilisateurs ToF-SIMS IONTOF.

Les 13 et 14 Juin 2023, le pôle d’analyse de surface a accueilli la 11ème journée Francophone. Une quarantaine de participant ont pu bénéficier de conférences, workshop et visites de notre pôle.