Faculté des sciences

Investigation of surface nanostructures with grazing angle x-ray fluorescence techniques

Nowak, Stanisław H. ; Dousse, Jean-Claude (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2012 ; no. 1768.

La présente thèse de doctorat a été réalisée au Département de Physique de l’Université de Fribourg dans le groupe de recherche « Atomic and X-Ray Physics » (AXP) du Prof. Jean-Claude Dousse. Elle est consacrée au développement de méthodes d’analyse basées sur la fluorescence X en haute-résolution et à angles rasants, plus spécifiquement la fluorescence X à émission rasante... Plus

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    Résumé
    La présente thèse de doctorat a été réalisée au Département de Physique de l’Université de Fribourg dans le groupe de recherche « Atomic and X-Ray Physics » (AXP) du Prof. Jean-Claude Dousse. Elle est consacrée au développement de méthodes d’analyse basées sur la fluorescence X en haute-résolution et à angles rasants, plus spécifiquement la fluorescence X à émission rasante (GEXRF) et la fluorescence X à incidence rasante (GIXRF). Ces méthodes d’analyse à angles rasants permettent de sonder la surface d’échantillons ainsi que la région proche de la surface pour en extraire des informations comme la présence d’éléments-traces et la contamination de surface, la distribution en profondeur d’impuretés ou d’ions implantés, la structure de couches minces et d’interfaces et la caractérisation de particules déposées à la surface de substrats plats. Un objectif spécifique de cette étude était de déterminer comment l’intensité de fluorescence dépendait de la morphologie de la surface de l’échantillon pour les cas de l’émission rasante et de l’incidence rasante. La plupart des mesures présentées dans la thèse ont été effectuées auprès de sources de rayonnement synchrotronique comme l’Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, France, la Source de lumière suisse (SLS) de l’Institut Paul Scherrer à Villigen, Suisse et l’Anneau de stockage d’électrons BESSY II à Berlin, Allemagne. Les mesures GEXRF ont été réalisées à l’aide du spectromètre à cristal courbé von Hamos de Fribourg tandis que les mesures GIXRF ont été effectuées en utilisant la chambre ultravide de spectroscopie X et le manipulateur ultravide à 6 axes du « Physikalish-Technische Bundesanstalt » (PTB) de Berlin. Le mémoire de thèse est articulé de la manière suivante : Dans le Chapitre I, les fondements des méthodes XRF à angles rasants ainsi que leur application pour la caractérisation de nanostructures sont présentés avec un passage en revue de la littérature existante. Dans le Chapitre II, les expériences réalisées sont décrites en détails avec, en particulier, une présentation complète des lignes de faisceau sur lesquelles les mesures ont été effectuées ainsi que des instruments utilisés pour ces mesures. Les échantillons analysés et les méthodes utilisées pour la préparation de ces derniers sont également discutés dans ce chapitre. Le Chapitre III concerne les méthodes utilisées pour l’analyse et le traitement des données. Pour pouvoir interpréter correctement les spectres GEXRF, de nouveaux logiciels ont dû être développés. Les programmes correspondants sont présentés dans ce chapitre, une description plus complète de ces derniers étant donnée dans les annexes. Tout d’abord un nouvel algorithme développé pour l’analyse d’événements correspondant à des impacts simple et multiple sur la caméra CCD est discuté. Ensuite sont abordés des problèmes concernant la correction des images CCD obtenues en géométrie von Hamos avec un accent principal sur le cas de l’émission rasante X. On trouvera également dans ce chapitre la présentation d’un nouveau modèle basé sur l’optique géométrique (GO) pour la simulation des spectres XRF angulaires de nanostructures et de distributions denses de nanoparticules déposées sur des substrats plats. Enfin, l’influence de la géométrie à incidence rasante sur le flux du faisceau de photons utilisé pour irradier l’échantillon est analysée pour le cas des matériaux granulaires. Le Chapitre IV présente les résultats obtenus pour des échantillons ayant des morphologies de surface correspondant à des distributions soit uniformes soit périodiques de structures de diverses formes et faites d’éléments différents. Les caractéristiques spectrales des profils angulaires GEXRF et GIXRF de ces échantillons sont présentées et commentées. Les résultats expérimentaux sont comparés aux valeurs théoriques obtenues à partir du nouveau modèle géométrique (GO) et du modèle des champs d’ondes stationnaires X (XSW). Le chapitre se termine avec un inventaire des principales difficultés expérimentales rencontrées durant la réalisation des différents projets. Les conclusions principales du travail sont énoncées dans le Chapitre V. Une discussion sur les possibilités d’application des techniques de spectroscopie X à angles rasants et des méthodes d’analyse développées dans la thèse clôt ce dernier chapitre.
    Summary
    The present Ph.D. thesis was realized in the Atomic and X-Ray Physics (AXP) research group of Prof. Jean-Claude Dousse at the Physics Department of the University of Fribourg. It is devoted to the development of high-resolution X-Ray Fluorescence (XRF) methods at grazing angles, namely the Grazing Emission (GEXRF) and Grazing Incidence (GIXRF) X-Ray Fluorescence methods. These grazing angle techniques probe a sample in the near surface area and allow to perform trace-element analysis, surface contamination control, depth profiling of buried impurities or implanted ions, structure determination of layers and interfaces, and characterization of on-surface particles. A particular aim of this thesis was to establish the relations between the surface morphology and fluorescence intensity of a sample in the regimes of grazing emission and grazing incidence. Most measurements were performed at synchrotron radiation facilities, namely at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), in Grenoble, France, at the Swiss Light Source (SLS), at PSI, in Villigen, Switzerland, and at the Electron Storage Ring BESSY II, in Berlin, Germany. The GEXRF projects were carried out using the von Hamos bent crystal spectrometer of Fribourg, whereas the GIXRF measurements were performed with the ultra-high vacuum x-ray spectrometry chamber and the 6-axis ultra-high vacuum manipulator of the Physikalish-Technische Bundesanstalt (PTB). The thesis is organized as follows: In Chapter I the basic concepts concerning the grazing angle XRF methods and their applications for nanostructures’ characterisation are presented together with an outlook of the related literature. In Chapter II the experiments carried out for this study are described in detail. In particular, the instruments used to perform the GEXRF and GIXRF measurements as well as the different synchrotron radiation beamlines where these measurements took place are presented. The investigated samples and the methods used to prepare them are also discussed in this part. Chapter III is devoted to the data analysis and data processing methods. In order to interpret correctly the measured GEXRF spectra, new software packages were developed. They are presented in this chapter while a more detailed description of them is given in the Appendices, at the end of the thesis. First, a new algorithm for the analysis of CCD single and multiple hit events is discussed. The problems related to the correction of the CCD images in the von Hamos geometry are then addressed with a special focus on the properties of images collected in the grazing emission arrangement. A novel analytical method based on Geometrical Optics (GO) for simulation of the XRF angular profiles of nanostructures and nanoparticles densely distributed on flat substrates is also presented. Finally the influence of the grazing incidence geometry on the effective flux of the exciting radiation for particulate media is described. Chapter IV presents the experimental results obtained for sample of various morphologies characterized by periodic and evenly distributed structures. The characteristic spectral features and trends of the measured GEXRF and GIXRF angular profiles are described and discussed. The experimental results are compared to the theoretical predictions from the GO model and to the values obtained from X-ray Standing Wave (XSW) simulations. At the end of this chapter, the experimental difficulties encountered during the different projects are discussed. In Chapter V conclusions about the most significant aspects of the thesis are drawn. Future perspectives concerning possible applications of the described x-ray grazing angle techniques and developed data analysis methods are outlined.