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NanoSciences de Paris
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Septembre 2009

Visualiser des nanoobjets : pourquoi pas dans l’espace réciproque ?

Ce fait d’actualité concerne un article de revue sur l’état de l’art de la technique GISAXS par Gilles Renaud, Rémi Lazzari et Frédéric Leroy paru dans Surface Science Reports.

Produire, caractériser et comprendre le comportement de nanoobjets ou d’assemblées de nanoobjets sont des objectifs majeurs dans les domaines en plein essor des nanosciences et des nanotechnologies. Les nouvelles propriétés physiques ou chimiques dues au confinement ou à des effets de surface ou d’interface sont intimement liées à la morphologie des objets c’est-à-dire à leur forme, leur taille ou leur organisation spatiale. Parallèlement aux techniques de microscopie en champ proche, qui donnent une représentation spatiale directe des objets, la diffusion centrale de rayons X en incidence rasante (GISAXS : Grazing Incidence Small-Angle X-Ray Scattering) est apparue, au cours des deux dernières décades, comme une technique puissante de caractérisation de la morphologie de nanoobjets, grâce à une analyse dans l’espace (dit) réciproque.

Le GISAXS n’est rien d’autre qu’une extension de la diffusion centrale de rayons X à des problématiques de surface et d’interface. Cette technique a pu naître grâce à la brillance des sources synchrotrons, en particulier de troisième génération, et l’emploi d’une géométrie d’incidence rasante proche de la réflexion totale externe permettant de contrôler à volonté la profondeur de pénétration du faisceau X de quelques nanomètres à plusieurs microns. Cette technique permet de sonder, de façon non destructive, la morphologie de une à plusieurs milliards de particules, soit sur des substrats, soit enterrées dans une matrice avec des tailles caractéristiques allant du nanomètre à quelques micromètres. La mesure apporte des informations statistiques sur la collection d’objets et permet de définir la morphologie de l’« objet moyen ». La diffusion anomale autour d’un seuil d’absorption peut également permettre d’apporter un contraste chimique. Une des grandes force du GISAXS est que la mesure peut être couplée à différents types d’environnement d’échantillon et permettre le suivi in situ de cinétiques de croissance, de recuit, de réactivité ou d’exposition à des gaz.

Cette revue présente l’état de l’art de la technique GISAXS à la fois du point de vue expérimental et théorique au travers d’un grand nombre d’exemples.
Les contraintes techniques et les montages expérimentaux sont décrits. Le formalisme permettant de relier les caractéristiques géométriques des nanoobjets –distribution de taille, de forme et de position- à l’intensité diffusée est présentée de façon approfondie. La plupart des mesures GISAXS publiées jusqu’à aujourd’hui sont présentées, allant de mesures ex situ sur des inclusions métalliques dans des matrices, des multicouches granulaires, des nanoparticules obtenues par implantation à des nanostructures semiconductrices enterrées, empilées, déposées ou des films minces poreux ou faits de copolymères. Une attention spéciale a été apportée à la description des résultats obtenus in situ lors de la croissance de particules par épitaxie par jets moléculaires sous ultra-vide or lors de réactions catalytiques sous atmosphère gazeuse. Cela recouvre une large gamme de systèmes tels que :

  • la croissance 3D de métaux sur des surfaces d’oxydes,
  • la croissance organisée de métaux sur différents types de gabarit périodique,
  • l’étude in situ de la croissance hétéroepitaxiale de boîtes semi-conductrices,
  • la formation de nanostructuration induite par bombardement ionique. De nombreux exemples sont discutés en détail pour illustrer la grande diversité de morphologies qui peuvent être abordées par la mesure GISAXS ainsi que les problématiques de l’analyse quantitative des données et les conclusions qui peuvent être apportées en termes de cinétique de croissance.
Evolution d'un cliché GISAXS lors de la croissance par évaporation thermique sous vide de nanoparticules d'Au sur une surface de TiO2(110). A noter la contraction du cliché vers l'origine de l'espace réciproque signant les phénomènes de nucléation-croissance-coalescence.

Figure 1 : Evolution d’un cliché GISAXS lors de la croissance par évaporation thermique sous vide de nanoparticules d’Au sur une surface de TiO2(110). A noter la contraction du cliché vers l’origine de l’espace réciproque signant les phénomènes de nucléation-croissance-coalescence.
: Evolution du rayon, rapport d'aspect et distance entre particule obtenue par une analyse quantitative des clichés de la figure 1. (R. Lazzari et al. Phys. Rev. B. 76 (2007) 125412)

Figure 2 : Evolution du rayon, rapport d’aspect et distance entre particule obtenue par une analyse quantitative des clichés de la figure 1. (R. Lazzari et al. Phys. Rev. B. 76 (2007) 125412)

En savoir plus

Probing surface and interface morphology with Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering,
G. Renaud, R. Lazzari, F. Leroy, Surf. Sci. Rep. 64 (2009) 255-380

X-Ray and Neutron Reflectivity : Principles and Applications Editeurs : Jean Daillant et Alain Gibaud, Lectures Notes in Physics, Springer, Vol 770, 2009 (ISBN : 978-3-540-88587-0),
Chapitre : Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering from nanostructures, R. Lazzari

Article en ligne : « La diffusion centrale de rayons X en incidence rasante ou comment regarder croître les nano-objets »