Influence de la fluence du laser et de la distance pointe-échantillon sur les

Afin d’étudier l’influence des paramètres expérimentaux sur les dimensions des cratères ainsi que sur la quantité de matière ablatée, la fréquence du laser et la vitesse de balayage de la pointe ont été optimisées pour obtenir des cratères plus ou moins séparés selon le besoin des expériences.

II.3.1 Influence sur les dimensions de cratères

La figure IV-5 montre un exemple de répartition des cratères sur un échantillon d’or. Cette distribution a été obtenue pour une vitesse de balayage de 2 ln/s avec une fréquence laser de 2 Hz. L’arrangement des cratères dans ce cas permet de montrer l’activité de la pointe et sa façon de balayer, ligne par ligne, la surface de l’échantillon. Pendant l’ablation, le faisceau laser d’ablation a été coupé manuellement afin de vérifier que la pointe seule ne marque pas la surface de l’échantillon.

Figure IV-5 : Répartition des cratères sur la surface d’un échantillon d’or pour une fréquence laser de 2 Hz et une vitesse de balayage de 2 ln/s : a) image AFM ; b) image MEB.

Laser Nd:YAG arrêté

Laser Nd:YAG arrêté

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Sur un échantillon d’or, la variation de la profondeur du cratère en fonction de la distance pointe-échantillon, pour différentes valeurs de fluence laser, est présentée figure IV-6.

Figure IV-6 : Variation de la profondeur du cratère sur un échantillon d'or en fonction de la distance pointe-échantillon et pour différentes fluences laser. L’incertitude sur la mesure à un niveau de confiance de 95% est de 8% pour 6 mesures différentes.

Le graphe de la figure IV-6 montre que la distance pointe-échantillon a une influence significative sur la profondeur des cratères. Par exemple, pour une fluence de 100 mJ/cm2, la profondeur du cratère diminue de ~ 10 à ~ 3 nm lorsque la distance pointe-échantillon augmente de 5 à 30 nm. La fluence du laser montre également une influence directe sur la profondeur des cratères. Pour une distance pointe-échantillon constante, la profondeur du cratère diminue linéairement avec la fluence laser. Lorsque la pointe est maintenue à 5 nm de la surface de l’échantillon, la profondeur du cratère diminue de ~ 10 à ~ 2 nm quand la fluence diminue de 100 à 20 mJ/cm2_.

L’influence de la distance pointe-échantillon et de la fluence laser a également été étudiée sur un échantillon de silicium. La distribution des cratères ainsi que la variation de la profondeur des cratères en fonction de la distance pointe-échantillon et de la fluence laser sont présentées figure IV-7. 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 P ro fo n d e u r d u cr at è re ( n m) Distance pointe-échantillon (nm) Au (une impulsion laser)

100 mJ/cm² 80 mJ/cm² 40 mJ/cm² 20 mJ/cm²

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Figure IV-7 : a) Image AFM de la distribution des cratères sur un échantillon de silicium; b) variation de la profondeur des cratères en fonction de la distance pointe-échantillon et de la fluence laser. L’incertitude sur la mesure à un niveau de confiance de 95% est de 8% pour 6 mesures différentes.

La variation de la profondeur des cratères montrent un comportement similaire à celui de l’échantillon d’or : la profondeur diminue lorsque la pointe s’éloigne de la surface de l’échantillon et lorsque la fluence du laser éclairant cette pointe est réduite. A 100 mJ/cm2_{, la}

profondeur du cratère de silicium diminue de ~ 5 à ~ 2 nm, lorsque la pointe passe de 5 à 30 nm en-dessus de la surface de l’échantillon. Pour une distance constante de 5 nm séparant la pointe de l’AFM de l’échantillon de silicium, la profondeur du cratère décroit de ~ 5 à ~ 1 nm lorsque la fluence est réduite de 100 à 40 mJ/cm2. Pour une fluence de 20 mJ/cm2, nous n’avons pas observé de cratères.

La variation de la profondeur des cratères avec la distance pointe-échantillon peut être liée à la décroissance de l’intensité du champ électrique au niveau de la surface de l’échantillon lorsque la pointe s’éloigne progressivement de la surface. D’après la littérature [6, 8, 9], l’amplification du champ électrique décroit exponentiellement avec la distance pointe- échantillon, cette décroissance influence l’efficacité d’ablation et donne des cratères moins profonds. Sur une couche de 20 nm d’or déposée sur un substrat en silicium, Chimmalgi et al. [10] ont observé une décroissance de la profondeur des cratères d’environ ~ 7 nm à ~ 4 nm lorsque la distance pointe-échantillon passe de ~ 1 nm à ~ 3 nm. De même les auteurs ont noté une diminution de la profondeur du cratère d’environ ~ 9 à ~ 2 nm lorsque la fluence diminue de 90 à 10 mJ/cm².

En comparant les profondeurs des cratères obtenus sur les deux échantillons (Au et Si) pour les mêmes conditions expérimentales, nous remarquons une différence de profondeur deux

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fois plus importante pour les cratères obtenus sur l’or par rapport à ceux obtenus sur le silicium. Cette différence peut être liée au caractère conducteur de l’échantillon et au facteur d’amplification du champ électrique du laser qui en dépend. En calculant l’évolution de l’intensité du champ électrique aux alentours d’une pointe SPM, Lu et al. [4] ont montré que l’intensité de la distribution électrique aux alentours de la pointe était plus importante pour un matériau conducteur, l’or, par rapport à un semi-conducteur, le silicium. La différence de l’intensité du champ électrique est 4 fois plus importante pour l’or que pour le silicium. En étudiant l’ablation laser en champ proche assurée par des nanoparticules d’or déposées sur des substrats d’or, de silicium et de verre, Atanasov et al. [11] ont montré une intensité du champ électrique plus importante avec le substrat d’or par rapport à celui du silicium et du verre. Cette différence montre que la nature du substrat a une importance primordiale sur le profil d’amplification du champ électrique du laser [11, 12] qui, à son tour peut être à l’origine de la différence des profondeurs des cratères obtenus dans notre cas.

Concernant le diamètre des cratères pour l’or et le silicium, pour un seul tir laser, le diamètre n’a pas montré de dépendance par rapport à la distance pointe-échantillon ou à la fluence laser. Quels que soient ces deux paramètres et pour un seul tir laser, le diamètre du cratère obtenu est compris entre 100 à 120 nm.

Pour le tantale, comme nous l’avons précisé avant, sa rugosité a empêché l’étude de variation de la profondeur des cratères en fonction de la distance pointe-échantillon et de la fluence laser. Cependant, la visualisation d’une série de cratères a été possible dans les conditions aboutissant à la profondeur maximale des cratères d’or et de silicium (fluence 100 mJ/cm² et distance pointe-échantillon 5 nm). Pour un seul tir laser, le tantale présente un cratère de diamètre d’environ 100 nm et une profondeur de 8 nm. La profondeur du cratère du tantale est supérieure à celle de silicium et inférieure à celle de l’or.

II.3.2 Influence sur la quantité de matière ablatée

L’exploitation des valeurs des diamètres et des profondeurs des cratères permet une estimation de la quantité de matière ablatée qui sera analysée par l’ICPMS. Le calcul est fait en se basant sur le volume du cratère et la masse volumique de l’échantillon.

Il est difficile, voire impossible de déterminer la forme exacte du cratère obtenu. La figure IV-8 présente un dessin à l’échelle d’un cratère obtenu avec une impulsion laser. En représentant le cratère à l’échelle nous nous apercevons que sa géométrie varie entre celle

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d’un cône et d’un cylindre (figure IV-8-b). Le rapport entre les volumes de ces deux géométries est d’un facteur 3.

Figure IV-8 : Schéma à l'échelle d'un cratère d’or obtenu après un seul tir laser (diamètre 120 nm x profondeur 10 nm). Le faisceau laser éclaire la pointe avec un angle d’incidence de 20 degrés par rapport au plan de l’échantillon et la taille du faisceau laser est de 300 µm.

Le tableau IV-2 présente une estimation de la masse ablatée et du nombre d’atomes générés par pour un seul tir laser pour une fluence de 100 mJ/cm² et une distance pointe-échantillon de 5 nm. Le calcul est fait pour les deux formes coniques et cylindriques.

Tableau IV-2 : Estimation de la masse ablatée et du nombre d'atomes issus de l'ablation en champ proche pour un seul tir laser pour deux géométries de cratères (cône et cylindre).

Géométrie cratère : Cône

Matériau Masse ablatée (fg) Nombre d’atomes

Or ~ 0,6 ~ 2 x 106

Tantale ~ 0,3 ~ 1 x 106

Silicium ~ 0,04 ~ 9 x 105

Géométrie cratère : Cylindre

Matériau Masse ablatée (fg) Nombre d’atomes

Or ~ 2,2 ~ 6 x 106

Tantale ~ 1,1 ~ 3 x 106

Silicium ~ 0,12 ~ 2,5 x 106

Pour le calcul de volume du cratère et de la masse ablatée nous avons choisi l’approximation du cratère par un cylindre, également adoptée par d’autres groupes [13, 14].

La variation de la masse ablatée d’or et de silicium en fonction de la distance pointe- échantillon pour différentes fluences laser est présentée figure IV-9.

diamètre diamètre diamètre Cratère 120 nm x 10 nm Laser incliné a) b) Diamètre D Diamètre D Diamètre D

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Figure IV-9 : Variation de la masse ablatée (a) de l’or et (b) du silicium en fonction de la distance pointe-échantillon pour différentes fluences laser. L’incertitude sur la mesure à un niveau de confiance de 95% est de 10% pour 6 mesures différentes.

Pour les deux échantillons, en raison de la valeur constante du diamètre pour un seul tir laser indépendamment de la distance pointe-échantillon (variable entre 5 et 30 nm) et de la fluence laser, la variation de la masse ablatée de l’or présente le même comportement que celui de la variation de la profondeur des cratères. Dans les conditions aboutissant à la profondeur maximale du cratère pour un seul tir laser (distance pointe-échantillon de 5 nm et une fluence de 100 mJ/cm²), un maximum de matière ablatée de ~ 2 fg d’or a été estimé pour seulement 0,12 fg de silicium ablaté. Cette différence est liée à la différence de profondeurs des cratères ainsi qu’à la différence de la masse volumique des deux matériaux. Les très faibles quantités de matière ainsi que le nombre d’atomes qui en résultent imposeront l’utilisation d’un

b) a)

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détecteur très sensible. D’où le besoin de l’ICPMS (Element 2) de haute sensibilité pour analyser la matière ablatée.

En conclusion, les résultats obtenus montrent que :

- le diamètre des cratères dépend du diamètre de la pointe : par ablation en champ proche par effet de pointe de silicium revêtue de diamant (rayon de courbure de 100 à 150 nm), les cratères obtenus sur l’or et le silicium présentent un diamètre entre 100 et 120 nm pour un seul tir laser.

- la profondeur des cratères est très dépendante de la distance pointe-échantillon, de la fluence du laser et de la nature de l’échantillon : pour une fluence donnée lorsque la distance pointe-échantillon augmente de 5 à 30 nm, la profondeur du cratère de l’or diminue de ~ 10 à ~ 3 nm. Pour une distance constante pointe-échantillon (5 nm), la profondeur du cratère diminue de ~ 10 à ~ 2 nm lorsque la fluence diminue de 100 à 20 mJ/cm². L’ablation est plus efficace sur un matériau conducteur : en conservant les mêmes conditions expérimentales, des cratères plus profonds sont obtenus sur un échantillon conducteur d’or (d’environ 10 nm) par rapport à ceux obtenus sur un échantillon semi-conducteur le silicium (d’environ 5 nm). - pour un seul tir laser, la quantité de matière d’or ablatée (2 fg) est plus importante que celle du tantale (1 fg) qui à son tour, est plus importante que la quantité de silicium ablatée (0,12 fg). L’ablation étant plus efficace sur un matériau conducteur.

II.4 Influence du nombre de tirs laser sur les dimensions des cratères et sur la