Beyond the gap of pressure : XPS studies of interfaces at near ambient pressures

par Héloïse Tissot

Thèse de doctorat en Chimie Physique et Chimie Analytique

Sous la direction de François Rochet.

Soutenue le 23-09-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie Physique - Matière et Rayonnement (laboratoire) .

Le jury était composé de Fausto Sirotti, Hendrik Bluhm, Petra Rudolf, Fabienne Testard, Fabio Finocchi, Rodolphe Vuilleumier.

  • Titre traduit

    Au-delà du gap de pression : étude par XPS d'interfaces à des pressions proches de l'ambiant


  • Résumé

    Dans de nombreux procédés technologiques, tels que la fabrication de matériaux pour la microélectronique, l’étude des réactions chimiques à une électrode, ou encore la catalyse… L’interface entre la surface d’un solide ou d’un liquide avec un liquide ou une phase gaz joue un rôle fondamental. De façon analogue, les sciences de l’environnement ainsi que celles du vivant intègrent dans leurs modèles la réactivité aux interfaces solide/ liquide ou liquide/ gaz.L’XPS est une technique parfaitement adaptée à l’étude des interfaces et a été largement utilisée pour l’analyse des surfaces de solides. Le principal avantage de l’XPS est sa grande sensibilité aux surfaces. En effet, en raison du faible libre parcours moyen des électrons dans un solide, uniquement les photoélectrons provenant de l’extrême surface (1 – 10 nm) peuvent échapper à celle-ci. Cependant, l’XPS est traditionnellement utilisée dans des conditions d’ultravide (UHV) et cela pour deux raisons. La première est que les analyseurs d’électrons sont construits pour fonctionner en UHV. La seconde est que les électrons doivent pouvoir atteindre l’analyseur, or leur libre parcours moyen est faible dans un gaz à haute pression. Par exemple, à une pression de 1 mbar, des électrons possédant une énergie de 100 eV vont parcourir 1 mm alors qu’ en UHV ils pourront atteindre jusqu’ à 105 m.Dans le but de rendre possible l’utilisation de l’XPS à des pressions plus élevées, quelques groupes autour du monde, dont le groupe de Berkeley (sous la direction de M. Salmeron at de H. Bluhm) et celui du Fritz Haber Institute à Berlin, ont élaborés un équipement permettant d’atteindre des pressions proche de l’ambiant (5 mbar). La construction d’un analyseur d’électron capable de fonctionner à des pressions de l’ordre du mbar, c’est-à-dire à des pressions 7 ordres de grandeur supérieures à l’UHV, a été une avancée à la fois conceptuelle et technologique. Un système de pompage différentiel permet de maintenir l’échantillon dans des conditions dites environnementales tout en maximisant le libre parcours moyen des électrons de façon à ce qu’ils atteignent l’analyseur. De plus, des tensions sont appliquées à des lentilles électrostatiques dans le but d’accélérer et de focaliser ces électrons.Un système similaire (Near Ambient Pressure XPS, NAP-XPS) a été installé sur la ligne TEMPO du synchrotron Soleil en février 2013, le premier temps de faisceau ayant eu lieu au mois de mai suivant. Durant ma thèse, deux projets différents ont été développés, tous les deux liés à l’étude d’interfaces avec l’utilisation de la NAP-XPS.Le premier projet traite des procédés utilisés en micro-electronique pour déposer de fines couches d’oxydes : le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et la déposition de couches atomiques (ALD). En particulier, des molécules de la famille des silanes sont utilisées pour fonctionnaliser des surfaces d’oxyde de silicium ou comme précurseur, combiné à un agent oxydant comme l’eau pour le dépôt de films mince d’oxyde de silicium. Cependant, les mécanismes réactionnels des silanes sur les surfaces de silicium n’ont jamais été étudiés par des techniques telles que la microscopie a effet tunnel (STM) ou l’XPS et l’on sait peu de choses concernant leur mécanisme de dissociation et l’adsorption des divers fragments sur la surface.


  • Résumé

    In many processes or technological objects, such as coating deposition, advanced material processing for electronics, magnetic or optical devices, electrochemical processes at an electrode, sensors and catalysis, etc. the interface between a surface of a solid and a liquid or a gas phase, plays a prominent role. Analogously, environmental sciences and sciences of the Living integrate into their models chemical reactions taking place at solid/liquid or liquid/gas interfaces.XPS is a powerful technique for interface analysis and has been widely use in the case of solid surface. The main advantage of XPS is its sensitivity to the material surface. Indeed, due to the low electron mean free path of electrons in a solid, only the photoelectrons at the extreme outer surface (1-10 nm) can escape the sample. However, XPS has traditionally been conducted under ultra-high vacuum (UHV) conditions. UHV conditions are utilized for two reasons. First, the analyzers are designed to work under UHV conditions. Second, the electrons must reach the detector and their mean free path is short at high pressures. For example at a pressure of 1 mbar, 100 eV electrons will travel 1 mm while under UHV conditions, the mean free path increases to 105 m. UHV chambers (10-10 mbar) help maximize the mean free path so that a high number of electrons will reach the detector/analyzer and the signal/noise ratio will increase making it possible to analyze the spectrum produced. This constraint makes UHV the standard environment of X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) experiments.In order to make possible the use of XPS on a larger pressure range, a few groups around the world have designed photoemission equipment that can be operated under ambient pressure (up to 5 mbar). The Berkeley group (M. Salmeron LBNL-Materials Sciences Division, H. Bluhm LBNL-Chemical Sciences Division), who pioneered this field, has two such setups installed at the Advanced Light Source. The Fritz Haber Institute has built a high pressure XPS based on the Berkeley prototype, installed at BESSY synchrotron (Berlin), since 2002. The building of Ambient Pressure XPS (APXPS) analyzers of the Berkeley type, able to be operated at pressures in the range of 1 mbar, about 7 orders of magnitude higher than the pressure limit of conventional UHV equipment is both a technological and conceptual breakthrough. Differential pumping stages allow the sample to remain at environmental pressures, while maximizing the mean free path of emitted electrons, so they can reach the detector. Additionally, voltages are applied to electrostatic lenses in the unit to accelerate and focus the electrons onto the focal plane of the electron energy analyzer. A similar system Near-Ambient Pressure XPS, NAP-XPS), described in details in chapter 1, was delivered in December 2012 and installed at TEMPO beamline in February 2013. The first beamtime occurred in May 2013. During my thesis that started in October 2011 two different projects were developed, both related to interface analysis using the NAP-XPS instrument.


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