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MesoXcope

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Description du project

 

L'objectif de ce projet est d'apporter une contribution révolutionnaire à la recherche fondamentale en utilisant la spectromicroscopie de rayons X sur des surfaces et des interfaces de matériaux multiferroïques pour de nouvelles technologies de l'énergie.

La spintronique apparaît comme une alternative fantastique aux technologies CMOS en raison de la dissipation d'énergie plus faible dans les processus magnétiques. La multiferroïcité, dans laquelle l'état magnétique peut être commandé par un champ électrique, constitue une solution prometteuse pour les dispositifs spintroniques à faible consommation. La maîtrise, la connaissance et l'optimisation de matériaux magnéto-électriques de l'échelle atomique à l'échelle mésoscopique ont donc une grande pertinence. L'analyse spectroscopique et chimique, combinée à une résolution spatiale et temporelle pour mettre en lumière des corrélations, constitue un besoin urgent de mieux comprendre ces matériaux.

La microscopie d'émission de photoélectrons stimulée par rayons X (XPEEM) à haute transmission et pleinement filtrée en énergie répond à tous ces critères. Avec le MesoXcope, l'imagerie simultanée de la structure chimique et électronique dans l'espace réel et réciproque à l'échelle submicronique devient possible (voir Fig. 1).

 

Fig. 1. Schéma présentant la manière dont le MesoXcope peut fournir une image à la fois des états chimiques dans l'espace réel et de la structure électronique dans l'espace réciproque - avec l'exemple d'une vouche polycristalline de cuivre.

Ce projet, dirigé par Nicolas Barrett du SPCSI au CEA, nécessite l'acquisition et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental innovant, optimisé pour les études spectroscopiques, appelé MesoXcope. La résolution excellente d'un point de vue énergétique, spatial et du vecteur d'onde contribuera également à d'autres domaines de recherche.

L'accent initial de la recherche sera mis sur les matériaux présentant des propriétés électriques, électroniques et magnétiques innovantes, souvent avec des degrés élevés de corrélation, tels que les photovoltaïques, les supraconducteurs, les ferroélectriques et les multiferroïques. Cette organisation devrait stimuler des analyses complémentaires utilisant d'autres techniques de pointe sur les mêmes systèmes. Le potentiel ultime du MesoXcope sera atteint par d'importantes campagnes de rayonnement synchrotron, avec une priorité donnée à l'exploitation du synchrotron SOLEIL. Le temps de faisceau devra faire l’objet de demandes d’attribution au moyen de soumissions de projets expérimentaux auprès des comités appropriés du programme. Grâce aux campagnes de mesures effectuées avec un prototype du MesoXcope à l'ESRF, à BESSY, à l'ELETTRA et à SOLEIL, les partenaires disposent déjà d'une expertise considérable dans de telles opérations, avec un temps d'installation pouvant descendre jusqu'à 24 heures. Nous notons que les travaux étendus, avec des sources de laboratoire haute intensité, seront essentiels pour un retour optimal des expériences de rayonnement synchrotron.

Fig. 2. Visualisation 3D du MesoXcope à l'étape actuelle présentant à la fois la chambre principale et une chambre de préparation entièrement équipée.

  • Cet instrument de pointe (Fig. 2) sera l'un des leaders dans le domaine de la MesoXcopy.
  • La combinaison du MesoXcope et du XPEEM existant de SOLEIL permettra l'accès à des installations de spectromicroscopie sans égal dans le monde.
  • L'acquisition de sources de laboratoire intenses, et l'exploitation de lasers par génération d'harmoniques d'ordre élevé (PLFA) dans le cadre du projet Attolab Equipex, permettront de mener avec le MesoXcope des recherches de niveau international tout au long de l'année.
  • La brillance élevée du rayonnement synchrotron SOLEIL devrait rendre possible la combinaison anciennement inaccessible d'une énergie de 50 meV avec une résolution spatiale de 50 nm en imagerie des niveaux de cœur.
  • Les compétences des partenaires actuels en fabrication, en caractérisation électrique et magnétique et en analyse de la structure électronique et chimique de multiferroïques dans le plus large sens du terme créeront une nouvelle synergie locale puissante pour l'étude de ces fascinants oxydes. Par exemple, des travaux collaboratifs récents entre deux des partenaires de ce projet, le SPCSI et le laboratoire mixte CNRS/Thalès, ont permis la mesure de la polarisation ferroélectrique de couches ultra-fines de BiFeO3 par PEEM, mesure précédemment impossible avec des méthodes électriques standard en raison des courants de fuite (Fig. 3).

Fig. 3. (gauche) Cartographie de la fonction de sortie des domaines ferroélectriques à polarisations opposées dans une couche ultra-mince de BiFeO3, mesurée en utilisant un prototype du MesoXcope. (droite) Dépendance de la polarisation en fonction de l'épaisseur de la couche mince, déduite des mesures PEEM.

  • Le MesoXcope sera accessible aux expériences d'utilisateurs et géré sous la responsabilité d'un consortium scientifique utilisant un système d'accès public. À titre d'exemple, nous présentons la structure de bandes 3D des cônes de Dirac du graphène à faible nombre de couches sur du carbure de silicium, mesurée avec un prototype du MesoXcope. Cette étude a démontré pour la première fois la manière dont le couplage extrêmement faible entre des feuillets adjacents de graphène pouvait causer une diffusion élastique des cônes de Dirac (Fig. 4).

Fig. 4. Représentation 3D des cônes de Dirac d'une région de 7 microns de graphène à faible nombre de couches sur la face carbone du SiC. Travail réalisé en collaboration avec le Prof. E. Conrad, GeorgiaTech (Atlanta).

Le MesoXcope sera exploité par le consortium scientifique qui garantira l'accès aux utilisateurs d'une large communauté scientifique. L'assistance aux utilisateurs pour les études en laboratoire et sous rayonnement synchrotron sera fournie par le consortium MesoXcopy. Les partenaires majeurs du consortium seront les premiers bénéficiaires de ce temps utilisateur. Le consortium mettra également à disposition une plateforme de formation des jeunes chercheurs à l'utilisation du MesoXcope, ce qui étendra durablement la communauté des utilisateurs.

 

Informations

Financements

  • Sesame - Equipement mi-lourds 2011
  • Triangle de la physique (Projet 2011-022T)
  • LPMS - Universite de Cergy Pontoise, France
  • SPMS - ECP CNRS — DR Île-de-France Secteur Ouest et Nord
  • IFF-9/FZ Jülich, Allemagne
  • IRAMIS - CEA

Coordination

Spécifications

  • Implantation du MesoXcope au SPCSI : Avril 2013
 

Maj : 21/03/2014 (2061)

 

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