# Guide d'ondes analysé par PIXE en mode Kossel

Philippe Jonnard, Jiaping Zhang, Karine Le Guen, Renaud Delaunay, Ian
Vickridge, Emrick Briand, Didier Schmaus

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Philippe Jonnard, Jiaping Zhang, Karine Le Guen, Renaud Delaunay, Ian Vickridge, et al. Guide d'ondes analysé par PIXE en mode Kossel. JSI 2020 Journées Surfaces & Interfaces, Jan 2020, Paris, France. . hal-03932801

HAL Id: hal-03932801

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Submitted on 10 Jan 2023

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<figure><img src="image_1.png" /></figure>

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# Guide d'ondes analysé par PIXE en mode Kossel

P. Jonnard<fnref n="1" />, J.-P. Zhang<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, K. Le Guen<fnref n="1" />, R. Delaunay<fnref n="1" />, I. Vickridge<fnref n="3" />, E. Briand<fnref n="3" /> et D. Schmaus<fnref n="3" />

## Diffraction de Kossel

* Ondes stationnaires

Interférences entre photons des faisceau incident et réfléchi

Ionisation par photons (XRF)

* Diffraction de Kossel

Diffraction des faisceaux émis par la structure elle-même

Ionisation par photons (XRF), électrons (XES) ou ions (PIXE)

## Etude des guides d'ondes en mode Kossel

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

## Echantillon / expérience

* Pt (4 nm) / Fe (6 nm) / Pt (10 nm) / substrat Si

* Dépôt par pulvérisation magnétron

* Plateforme SAFIR (Système d'Analyse par Faisceaux d'Ions Rapides), accelerateur Van de Graaf

* Protons de 2 MeV, courant 100 - 150 nA, taille du faisceau ~ 2mm

* Ionisation uniforme en profondeur des couches Fe et Pt K

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Lignes SAFIR</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Chambre goniométrique</figcaption></figure>

## Guides d'onde

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Réflexion totale</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

Guide d'onde planaire

Un matériau « léger » entre deux matériaux « lourds »

## Procédure expérimentale

### Caméra CCD à sélection en énergie

~150 eV resolution @ 5.4 keV

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

* 1024 x 1024 pixels de 13 x 13 µm

* Bining 256 x 256 pixels de 52 x 52 µm

* Pas de balayage angulaire

* Acquisition rapide 2h

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

## Procédure expérimentale

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Image d'intensité totale</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Sélection d'une gamme spectrale (émission caractéristique)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Image spectrale</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Angle de détection</figcaption></figure>

### Courbe de Kossel

Distribution angulaire de l'intensité d'une émission caractéristique

## Guides d'onde

Distribution angulaire et en profondeur du champ électrique

### Emission Fe K

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

## Mesure de réflectivité

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Mesure à 8048 eV (Cu Ka)</figcaption></figure>

Structure tri-couche Pt / Fe / Pt

<table><thead><tr><th></th><th>Epaisseur / Rugosité (nm)<br>(±0.05 nm)</th><th>Densité</th></tr></thead><tbody><tr><td>Pt</td><td>4.62 / 0.60</td><td>massif</td></tr><tr><td>Fe</td><td>6.65 / 0.80</td><td>massif</td></tr><tr><td>Pt</td><td>11.06 / 0.77</td><td>massif</td></tr><tr><td>Si substrat</td><td>- / 0.42</td><td>massif</td></tr></tbody></table>

## PIXE en mode Kossel

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

Spectre X

Emissions Fe Ka, Pt La

Comparaison

Expérience

Design

Structure réflectivité

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Courbes de Kossel</figcaption></figure>

## Expériences - simulations

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

Comparaison

Expérience

Sans PtFe interfaces

Avec PtFe interfaces

Courbes de Kossel

Structure à 5 couches

Pt / PtFe / Fe / PtFe / Pt

## Expériences - simulations

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

Réflectivité

Sans PtFe interfaces

Avec PtFe interfaces

Interfaces

PtFe

1,5 nm

<table><thead><tr><th></th><th>Epaisseur / Rugosité (nm)<br>(±0.05 nm)</th><th>Densité<br>(g/cm<fnref n="3" />)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Pt</td><td>3.83 / 0.57</td><td>massif</td></tr><tr><td>Pt<sub>69</sub>Fe<sub>31</sub></td><td>1.62 / 0.90</td><td>16 ± 2</td></tr><tr><td>Fe</td><td>5.19 / 1.20</td><td>massif</td></tr><tr><td>Pt<sub>69</sub>Fe<sub>31</sub></td><td>1.41 / 0.79</td><td>16 ± 2</td></tr><tr><td>Pt</td><td>10.25 / 0.39</td><td>massif</td></tr><tr><td>Si substrat</td><td>- / 0.50</td><td>massif</td></tr></tbody></table>

## Conclusion

* Etude de guides d'ondes par PIXE en mode Kossel

* Distribution en profondeur des éléments dans des empilements de couches minces

* Reflectivité : analyse structurale

* PIXE-Kossel : analyse élémentaire

* Amélioration de la description de l'empilement

* Perspectives : analyse chimique grâce à la haute résolution spectrale

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

SORBONNE
UNIVERSITÉ
CRÉATEURS DE FUTURS
DEPUIS 1257

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

School of Natural and
Applied Sciences
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

<footnote n="1">¹ Sorbonne Université, CNRS UMR 7614, Laboratoire de Chimie Physique - Matière et Rayonnement, 4 place Jussieu, F-75252 Paris cedex 05, France</footnote>

<footnote n="2">² State Key Laboratory of Solidification Processing, Shaanxi Key Laboratory of Fiber Reinforced Light-Weight Composites, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China</footnote>

<footnote n="3">³ Sorbonne Université, CNRS UMR 7588, Institut des NanoSciences de Paris, 4 place Jussieu, F-75252 Paris cedex 05, France</footnote>