La spectroscopie de masse d’ions secondaires – SIMS – est une technique d’analyse chimique très sensible, basée sur l’analyse en masse des ions secondaires émis, suite à un bombardement ionique de l’échantillon. La source d’ions primaires doit idéalement être brillante, avec un bon rendement d’ionisation et une bonne résolution latérale pour permettre l’imagerie à haute résolution, et les ions primaires doivent avoir Les sources à base de gallium liquide (Liquid metal ion source – LMIS) sont brillantes, ont une résolution de 2.5 nm, mais leur rendement est bien plus faible que celui des sources d’ions O– ou Cs+. Disposer d’une source combinant les trois avantages permettrait l’imagerie SIMS à haute résolution, avec un temps d’acquisition bien plus rapide qu’avec les sources actuelles.
Dans le cadre du laboratoire commun CICLOP, regroupant le laboratoire CIMAP et l’industriel Orsay Physics, la preuve de concept d’une source capillaire performante à base de sel fondu enrichi en césium et oxygène a été développée. L’obtention d’un faisceau d’ions positifs de Cs+, stable sur 50 min, et en polarité négative d’un faisceau de NO3–, est prometteur pour le développement d’un prototype de source universelle pour applications SIMS.
Pour la spectroscopie de masse d’ions secondaires (SIMS), la source d’ions primaires doit idéalement être brillante, avoir une bonne résolution latérale pour l’imagerie à haute résolution et les ions primaires doivent avoir un bon rendement d’ionisation. Les sources à base d’ions de O- et de Cs+ ont de bons rendements d’ionisation, mais leur résolution latérale est limitée typiquement à 500 nm alors que les sources à base de Gallium liquide (LMIS) sont brillantes, ont une résolution de 2.5 nm, mais un rendement typiquement 100 fois plus faible que l’oxygène et le césium. Développer une source combinant les trois avantages, permettrait de faire de l’imagerie d’haute résolution d’analyse SIMS, avec une vitesse de balayage 100 fois plus rapide qu’une source LMIS.
Dans le cadre du laboratoire commun CICLOP regroupant le laboratoire CIMAP et l’industriel Orsay Physics, la preuve de concept d’une source d’ions pour SIMS à base de sels fondus a été développée [1]. Afin de maximiser le rendement d’ionisation des ions primaires, la source utilise un sel de nitrate, mélange de CsNO3 (53% mol.) et de LiNO3 (47% mol.), enrichi en césium et en oxygène. Le mélange eutectique permet d’atteindre un bas point de fusion de 134°c sous vide.
Ce sel est inséré dans un capillaire en borosilicate à pointe conique dont l’orifice est de quelques micromètres, puis le capillaire est chauffé pour fondre le sel. Comme le sel fondu (SF) ne mouille pas le verre de borosilicate, il ne remplit pas spontanément la pointe du capillaire. L’application d’une simple surpression de 300 mbar suffit pour pousser le sel fondu jusqu’à l’orifice de la pointe, mais ce processus ne permet pas d’atteindre un équilibre et le capillaire se vide rapidement. Comme le sel fondu mouille l’alumine, une fibre d’alumine est insérée dans la pointe du capillaire pour réguler le flux sortant. Son diamètre est ajusté au diamètre intérieur de la pointe. Une faible surpression de 30 mbar d’azote suffit alors à entrainer le sel jusqu’à la pointe.
Sous l’effet d’un champ électrique, le liquide conducteur présent à l’orifice de la pointe se déforme en cône de Taylor, depuis lequel des ions sont émis. À l’instar d’une LMIS, le rayon de courbure du ménisque conique a une centaine de nanomètres et va donc permettre de générer un faisceau brillant ayant une bonne résolution latérale de quelques nm. Dans le cadre du travail de thèse de Massimo Léger, un faisceau d’ions de Cs+ stable pendant 50 min ainsi qu’un faisceau de NO3– en polarité négative ont pu être produits avec ce type de source.
À droite : image de la pointe du capillaire en borosilicate avec la lueur du plasma au bout du capillaire. À gauche : courant d’ions émis (courbe noire) en fonction du temps et tension d’extraction (courbe rouge).
La figure de droite, montre la pointe du capillaire remplie de SF, avec à son extrémité la lueur du plasma indiquant l’émission d’ions. La fibre d’alumine au sein du capillaire n’est pas visible sur la figure. L’intensité du faisceau d’ions (courbe noire) en fonction du temps est donnée dans la partie gauche de la figure. La baisse de courant observée, puis l’arrêt après 50 min de fonctionnement, sont simplement liés à la chute de la surpression appliquée au sel fondu.
Ces tous premiers résultats sont très prometteurs pour le développement d’un prototype d’une source universelle pour applications SIMS. Dans une prochaine étape, il est proposé d’améliorer la mouillabilité du verre par le sel fondu via un traitement de la surface interne du capillaire, ce qui doit permettre de supprimer toute surpression sur le sel fondu et améliorer ainsi la stabilité et durabilité de la source.
Référence :
[1] “Molten salt ion source using glass capillaries as emitter “, M. Léger, E. Giglio, S. Guillous et A. Houel, submitted to Journal of vacuum science and technology B, ArXiv:2412.09374v1
Contact CEA-IRAMIS : Eric Giglio, Équipe SIMUL du CIMAP.
Collaboration :
- Arnaud Houel, Orsay Physics, TESCAN Group, F-13710 Fuveau, France