MesoXcope

Les études des propriétés de surfaces, d'interfaces et de couches minces sont centrales, puisque s’y déroulent, par exemple, les actes élémentaires de la conversion photovoltaïque, de la conversion chimique dans les piles à combustibles ou dans les batteries, et où s’y définissent des propriétés physiques remarquables (supraconductivité à haute température, matériaux multiferroïques…).

The basic challenge is to quantify and analyze surface and interface Coulomb interactions, responsible for the chemical and electronic properties of materials and their meso-scale functionality.

To do so, it is necessary to probe the complete electronic structure, from the localized core levels to the delocalized valence band, responsible for chemical bonding, electrical transport, thermal and mechanical properties. High resolution photoelectron spectroscopy allows such studies on the macroscopic scale. MesoXcopy, based on XPEEM, will translate this analysis onto the mesoscopic scale. It allows direct and simultaneous visualization of both the chemical and electronic structure of the zone under investigation, presenting the information in the form of spectroscopic maps of small areas of the sample. Chemical state mapping, spatial variations in electronic band structure, surface structural changes, polycrystalline electrical and magnetic surface properties and self-organization are among the targeted phenomena.

Chemical state and band structure imaging

Real space PEEM therefore images the photoelectron intensity as a function of position in micron scale areas of the sample surface.

MesoXcopy is also an extremely elegant instrument to perform spatially resolved, full 2D band structure analysis. Using a suitable lens configuration, standard in the mesoXcope, the focal plane is projected onto the detector giving an image in reciprocal space of the intensity as a function of the electron wave vector. We call this operating mode k-PEEM. Above right is the Fermi surface of Cu(111) obtained in 5 minutes using a standard laboratory He I source. With undulator radiation one can image the Fermi surface of a ten micron structure in a couple a seconds. Thus,  band dispersions may be easily mapped. In contrast to classical angle-resolved photoemission analysis, no movement of the sample is required in order to map complete Brillouin zones.

Below is an example of k-PEEM analysis using a prototype instrument on 2 ML epitaxial graphene grown on SiC(000-1) in collaboration with GeorgiaTech (E. Conrad, C. Berger).[i] On the left is the XPEEM image with a 17 mm field of view showing micron scale surface variations in the work function, in the centre we show the 3D  k-PEEM signal obtained from a micron scale region defined by an iris aperture, finally on the right we show a constant energy cut illustrating how the intensity of the Dirac cones from one layer is Bragg diffracted by the periodic potential of the other graphene layer. Because of the large commensurate rotation between the two layers, the diffracted intensity is also in the first Brillouin zone but far from a high symmetry direction. As a result, this phenomenon has, until now, been overlooked in standard ARPES.

Moyens

Le MésoXcope a été cofinancée par trois partenaires scientifiques : LRC SPCSI/LPMS, L’Ecole Centrale Paris et le PGI/Jülich, par le Triangle de la Physique (projet 2011) par le CEA et par la région Île de France SESAME 2011.

Sa versatilité lui permet de travailler avec des sources de lumière de laboratoire (UV, X, laser) et avec le rayonnement synchrotron et en conséquence, fonctionnera en continu.

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Les équipes de recherche ayant utilisé le MesoXcope

L’université de Malaga (Espagne) : premier test empilement photovoltaïque.

L’UMPhys CNRS/Thalès : structure de bandes de couches minces de BaTiO3/LaSrMnO3, préparées par PLD à l’UMPhys et transportées en valise de transfert au synchrotron ELettra durant la campagne 2015. Valise de transfert financé par le projet plateforme Oxy-Clean du Labex NanoSaclay

CEA Léti : Operando silicium pn : imagerie de courbure de bandes et zones de déplétion jonction pn

ISMO (Université Paris Saclay) : études du tavail de sortie de couches autoassemblées de TPT sur Au polycrystallin.

LIST (Belvaux, Luxembourg) : Parois de domaines de LiNbO3, premières analyses de parois ferroélastiques dans le CaTiO3

Université de Cergy-Pontoise : analyses préliminaires de la stucture de bandes de couches minces de LaSrMnO3/BaTiO3

GeorgiaTech (Atlanta, GE, USA) : Etude de la fonctionnalisation de feuillets de Graphene par la nitruration partielle

Ici, nous donnons trois exemples d’études effectuées avec le MesoXcope

1.       Les essais de résolution latérale et spectroscopique

2.       Les expériences operando sur les jonctions planaires pn sous tension électrique

3.       La transition de phase paraélectrique-ferroélectrique à la surface du BaTiO3(001)

1. Tests de résolution latérale et spectroscopique

A gauche nous montrons le MesoXcope installé dans son laboratoire dédié, dans l’inset une vue d’un échantillon. A droite, une image acquise avec la source Hg de l’échantillon étalon, indiquant une résolution latérale de 37 nm.

Afin de mettre en évidence la résolution spectroscopique nous avons étudié l’état de surface dans l’Au(111). Utilisant la source ultra-violette optimisée : He I (21,2 eV) avec miroir de focalisation nous avons mis en évidence le dédoublement de Rashba dans l’état de surface de l’Au(111)

2. Les expériences operando sur les jonctions planaires pn sous tension électrique

L’équipe du LENSIS au SPEC, en collaboration avec le CEA/LETI a réalisé pour la première fois une étude PEEM in operando en fonction de la tension appliquée. Cette tension est appliquée in-situ à une jonction p-n devant le PEEM. Les résultats ont été publiés dans Review of Scientific Instruments.

L’échantillon test est constitué de motifs bidimensionnels de silicium fortement dopés de type n implantés dans un substrat de silicium type p. L’énergie cinétique des photoélectrons est définie par une tension électrique Us appliquée à l’ensemble de l’échantillon. L’optique électronique du PEEM permet de récolter les photoélectrons en fonction de leur énergie cinétique et de leur position d’émission avec une résolution spatiale de 50 nm. La tension est appliquée à la jonction grâce au circuit illustré dans la figure ci-dessous. La position mesurée du seuil de photoémission ou travail de sortie indique directement la courbure de bande.

Pour chaque polarisation (directe, nulle et inverse), des images PEEM ont été enregistrées en fonction de l’énergie cinétique des photoélectrons. L’analyse quantitative permet de tracer la distribution spatiale du travail de sortie. Le contraste en énergie permet de visualiser le décalage des bandes et la largeur de la zone de déplétion en fonction de la polarisation.

Ces résultats reproduisent le comportement des bandes électroniques de la jonction p-n décrit dans les livres d’introduction à la physique des semi-conducteurs. Ils démontrent la validité de la méthodologie expérimentale et ouvre des perspectives d’analyses in operando sur une vaste gamme de matériaux et d’hétérostructures sous tension électrique. On peut imaginer des hétérostructures planaires pour le photovoltaïque, la catalyse, ou les microstructures naturelles telles que les domaines ferroélectriques pour l’électronique post-CMOS. [Barrett2016]

3. La transition de phase paraélectrique-ferroélectrique à la surface du BaTiO3(001)

Nous avons étudié la transition de phase paraélectrique-ferroélectrique dans le BaTiO3(001) grâce au contrôle précis de la température. Il a été ainsi possible d’acquérir des images de l’ordonnancement des domaines ferroélectriques à la surface de BaTiO3(001) en fonction de la température. Ce type d’analyse operando a mis en évidence la persistance de structures de domaines ferroélectriques et des tweed au-delà de la température de transition quand le volume est déjà dans la phase paraélectrique. Ces effets de surface sont à relier aux distorsions tétragonales inhérentes à la surface et à la nature statique du tweed, considéré comme un précurseur local de la phase ferroélectrique, à basse température.

Cartes de travail de sortie obtenues à partir des séries d’images à 300, 373, 450 et 550 K. Le champ de vue est 67 mm et dans chaque cas le travail de sortie varie sur 0,5 eV. Les zones foncées correspondent à une polarisation dirigée vers le volume, les zones de gris intermédiaire  à une polarisation dans le plan de la surface et les zones les plus calires à une polarisation dirigée vers l’instrument. Les domaines ferroélectriques sont les bandes larges verticales tandis que les structures microscopiques horizontales et verticales constituent le tweed.

Le contrôle de la température à permis de mettre en évidence une mémoire de la structuration des domaines ferroélectriques jusqu’à 550 K. [Mathieu2018]

Perspectives scientifiques

Contraintes mécaniques in-situ et parois de domaines

La thèse de Grégoire Magagnin, dans le cadre du projet du DIM Oxymore DoWaCo et du projet Labex nanoSaclay AXION a permis de concevoir et effectué les premiers essaies pour l’application contrôlée d’un stress mécanique in-situ dans le MesoXcope. Ainsi nous pourrons imager le déplacement de parois de domaines in operando. Une collaboration avec le Prof. EKH Salje de l’université de Cambridge, soutenu par un projet rayonnement international du LabeX NanoSaclay a permis de commencer un travail sur le mouvement de parois ferroélastiques « creep ». Les expériences de longue durée à températures proches de la  température de Curie sont prévues cette année.

Structure de la bande de conduction 2D

 Par les méthodes de pompe-sonde utilisant un laser IR doublé en fréquence comme pompe et les harmoniques supérieures comme sonde nous allons étudier la bande de conduction d’échantillons choisis. La bande de conduction, étant vide, est normalement inaccessible à la photoémission, la méthode de pompe-sonde permet de faire de la photoémission dans le MesoXcope de l’état excité.

The objective is to study the occupied and unoccupied electronic states in microscopic, single crystal flakes of MoS2 and WSe2. k-PEEM imaging will provide information on the valence band structure while k-SEEM imaging will provide information on the unoccupied electronic states. The experimentally determined band structures will be used in future pump-probe experiments to explore the dynamics of electrons in the conduction band and photo-induced multi-topological states using trefoil polarization, which is the ultimate aim of the H2020 Optologic project en collaboration avec Hamed Merdji et Willem Boutu (Optologic).

[i] C. Mathieu, N. Barrett, J. Rault, Y. Mi, B. Zhang, W.A. de Heer, C. Berger, E. Conrad, O.

Renault, submitted to Phys. Rev. B (2011)