Le MEIS (Medium Energy Ion Scattering) est une technique de diffusion d’ions à énergie plus faible que la RBS, couplée à un analyseur électrostatique haute résolution, permettant d’atteindre une très bonne résolution en profondeur dans les toutes premières couches atomiques.
Principe physique
Le MEIS, utilisé à plus basse énergie, analyse les ions diffusés avec un analyseur électrostatique toroïdal (TEA) couplé à un détecteur 2D à galettes microcanaux. Le détecteur possède une bien meilleure résolution en énergie, ce qui permet d’obtenir une résolution en profondeur nettement supérieure à celle de la RBS dans les tout premiers nanomètres, avec en prime une détection simultanée en angle, qui renseigne sur la structure cristalline. L’énergie des ions détectés dépend :
- De la profondeur de la collision (très peu de dispersion en énergie sur un aussi faible parcours, d’où la très bonne résolution en surface)
- De la masse de l’atome cible (facteur cinématique, comme en RBS)
La chambre d’analyse MEIS combine un analyseur électrostatique toroïdal et des détecteurs silicium pour la RBS et la NRA, autour d’un même goniomètre porte-échantillon.
Le dispositif en photos
Caractéristiques techniques
- Faisceau incident : protons (typiquement 300 keV), ⁴He⁺ et D⁺ également utilisables
- Goniomètre : 6 axes, plage de température de l’échantillon de -180 °C à 800 °C
- Détecteur : analyseur électrostatique toroïdal (TEA) + détecteur 2D à galettes microcanaux (type « backgammon »)
- Résolution en énergie mesurée : 1,75 keV (contre ~15 keV pour un détecteur silicium classique utilisé en RBS/NRA)
- Profondeur analysée : de l’ordre de 20 nm, nettement moins que la RBS classique (~500 nm), mais avec une résolution bien supérieure en surface
- Détection simultanée : en énergie (profil de composition) et en angle (structure cristalline)
Avantages
- Très bonne résolution en profondeur dans les toutes premières couches atomiques
- Sensibilité à la structure de surface (reconstruction, relaxation atomique) grâce à la détection simultanée en angle
- Utilisable en géométrie de canalisation/blocage pour sonder l’ordre cristallin de surface
- Chambre partagée avec des détecteurs RBS/NRA classiques, pour combiner les techniques sans changer de chambre d’analyse
Limitations
- Profondeur d’analyse limitée à une vingtaine de nanomètres, contre le micron accessible en RBS
- Dispositif complexe (analyseur électrostatique haute tension, détecteur 2D), plus lourd à régler que la RBS
- Analyse d’un seul échantillon à la fois, en raison de la petite taille du support d’échantillon
- L’analyseur électrostatique propre à cette technique est actuellement en cours de remise en service, non disponible pour des mesures de routine à ce jour ; la chambre d’analyse elle-même peut quant à elle être utilisée en routine pour la RBS et la NRA
Complémentarité avec les autres techniques
Le MEIS complète la RBS pour l’étude fine des tout premiers nanomètres (interfaces, couches ultraminces), là où la résolution en profondeur de la RBS classique atteint ses limites. Sur SAFIR, la chambre d’analyse MEIS regroupe aussi des détecteurs RBS et NRA classiques, permettant de combiner les techniques sur le même échantillon.
Publication de référence
A. Iwamoto, T. Okazawa, T. Akita, I. Vickridge, Y. Kido, « Two and/or three dimensional Au nano-clusters on oxide supports analyzed by high-resolution ion scattering », Nuclear Instruments and Methods B, 2008. Voir sur HAL