Institut des
NanoSciences de Paris
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Physico-chimie des surfaces fonctionnelles

Techniques optiques

Les techniques optiques spectroscopiques présentent généralement une faible sensibilité à la surface. En effet, la longueur de pénétration de la lumière dans un solide est de l’ordre de 100 nm. Donc, si l’on considère une couche adsorbée de quelques fraction de nanomètre d’épaisseur, la contribution de la surface à l’énergie lumineuse réfléchie Δr/r est de l’ordre 10-3 – 10-2. Pour étudier la surface par des techniques optiques, il faut surmonter ce problème par des méthodes différentielles pour exalter la contribution de la surface. C’est le cas de la Spectroscopie d’Anisotropie de Réflectance (RAS) et de la Spectroscopie de Réflectivité Différentielle de Surface (SRDS).

Spectroscopie de Réflectivité Anisotrope (RAS)

Lorsqu’une surface est anisotrope, la réflectivité par cette surface est différente suivant les différentes directions de polarisation de la lumière. Le principe de la technique est de mesurer la différence des réflectivités selon deux directions de polarisation perpendiculaires. Soient r011 et r011 les réflectivités parallèles respectivement aux directions [011] et [011] de la surface de Si(001) et r la moyenne des deux, alors nous nous intéressons à la grandeur complexe :

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Cette quantité est liée au tenseur diélectrique de surface. Le montage expérimental est constitué des composants indiqués sur la figure ci-dessous.

 

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©INSP / Nadine Witkowski

Schéma optique de la spectroscopie anisotrope

 

Principe succinct de fonctionnement de l’anisotropie de réflectance

Le faisceau lumineux est produit par la lampe au xénon émettant entre 200nm et 1000nm. La lumière est polarisée verticalement (0°) à la sortie du polariseur et arrive sur l’échantillon sous incidence normale. L’échantillon est positionné pour que la polarisation de la lumière incidente forme un angle de 45° par rapport à l’un de ses axes cristallographiques ([011] ou [011]). Du fait de son anisotropie, la polarisation de la lumière réfléchie est modifiée par rapport celle de la lumière incidente. La polarisation de la lumière émergente serait linéaire si il n’y avait pas d’absorption optique. Dans le cas général, l’onde émergente est elliptique. La composante horizontale (90°) contient l’information sur la différence des réflectivités (RA : réflectivité anisotrope) Δr et la composante verticale (0°) contient l’information sur sa somme. Cette analyse de la RA est effectuée par un modulateur photoélastique excité à 50kHz. L’analyseur placé ensuite assure que la variation du vecteur du champ électrique est transformée en variation d’intensité. Le faisceau envoyé dans un monochromateur à réseaux dont le signal passe ensuite par une détection synchrone.. On se content souvent de mesurer la partie réelle de l’anisotropie en amplitude : Re(Δr/r). Mais la partie réelle fournit parfois des informations utiles.

Spectroscopie de Réflectivité Différentielle de Surface (SRDS)

Le principe de la technique est basé sur la mesure de la réflectivité de l’échantillon lorsque sa surface est propre et lorsque celle-ci est modifiée. La modification introduite peut être due à l’adsorption de molécules sur la surface, ou des changements de reconstructions par traitement thermique… Soit R0 la réflectivité en intensité de la surface non modifiée et R celle de la surface modifiée, alors la réflectivité différentielle est définie par La source utilisée émet dans l’UV-visible donc cette variation relative de la réflectivité est liée directement aux changements de la structure électronique de la région proche de la surface, dus d’une part à la modification de la surface elle-même, et d’autre part, à la modification du volume proche de celle-ci (par exemple la zone de charge d’espace dans un semiconducteur). Les différentes structures dans les spectres de SRDS sont reliées à des modèles théoriques traduits dans le tenseur diélectrique de surface.

 

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Schéma optique de la SRDS