La station HAXPES, installée sur la ligne de lumière GALAXIES, permet de réaliser des expériences de photoémission à haute énergie cinétique sur des échantillons solides ou gazeux, et dans un futur proche sur des liquides. Petit récapitulatif des atouts de cette technique, jusqu’à présent jamais utilisée sur la matière diluée.
Le spectromètre d'électrons de la ligne GALAXIES permet d'analyser des énergies cinétiques allant de de quelques dizaines d'eV à plus de 10 keV, faisant de cet équipement une station expérimentale unique à SOLEIL. L’analyse des spectres de photoémission donne des informations essentielles sur la structure électronique des échantillons irradiés, ainsi que sur certains processus dynamiques photoinduits, tels que les transferts de charge ou les mouvements nucléaires, notamment en phase diluée.
Photo du montage de la station HAXPES sur la ligne GALAXIES
Intérêts de la haute énergie par rapport aux X-mous ou VUV
L’utilisation de la haute énergie, aussi bien pour l’excitation de l’échantillon que pour son analyse, présente plusieurs avantages.
D'une part, quelle que soit la nature de l'échantillon irradié (solide, gazeux, liquide), l'utilisation des rayons X permet d'ioniser une couche interne particulière et ainsi de se concentrer sur un élément chimique donné. C'est le principe de l'ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) développé par K. Siegbahn et couronné du prix Nobel en 1981. L'analyse de l'électron émis donne une information sur l'élément ionisé ainsi que sur son environnement chimique. En effet selon l’environnement chimique de l’atome « ciblé », on observe de petits déplacements des pics de photoémission. Augmenter l’énergie du photon permet d’atteindre des couches électroniques plus profondes, très localisées, et dont l’ionisation conduit à des états très instables pouvant se relaxer sur des échelles de temps inférieures à la fs (10-15 s).
D'autre part, et dans le cas d'études en matière condensée, produire des électrons d’énergie cinétique élevée permet d’augmenter leur libre parcours moyen. Grâce à l’HAXPES, il est ainsi possible de sonder les matériaux sur des profondeurs environ 10 fois plus grandes qu’en photoémission standard (en VUV ou X mous, à basse énergie), ce qui ouvre la voie à l’étude d’interfaces ou de couches enterrées, ainsi qu'à l'étude de la mobilité des ions dans un liquide. Par ailleurs, arracher un électron en lui procurant une énergie cinétique élevée a pour effet de faire reculer le noyau des atomes. Bien qu'assez faible en raison du rapport de masse électron/noyau, ce recul nucléaire – visible sur les spectres de photoémission et Auger – est un phénomène encore mal compris qui sort du cadre du traitement 'habituel' du processus de photoionisation, à savoir le découplage des fonctions décrivant le mouvement des noyaux de celui des électrons.
Par ailleurs, la résolution en énergie de GALAXIES permet de réaliser des études sur la dynamique temporelle ultra-rapide. En effet, lorsqu’un électron de cœur est promu vers une orbitale électronique vide, l'état excité résultant a une durée de vie très courte, de quelques fs. Cette base de temps est très utile pour déterminer des processus ultra-rapides tels que des transferts de charge ou d'éventuelles compétitions entre mouvements nucléaires et processus électroniques. Ces très faibles durées de vie conduisent également à des effets d'interférences importants entre différentes voies de relaxation, qui sont mis en évidence par une mesure de l'énergie de l'électron émis.
Contraintes/limitations
Le pouvoir résolvant des analyseurs d'électrons ayant une grande énergie cinétique est moindre qu'à plus basse énergie. Aussi, la baisse de la section efficace d'ionisation à haute énergie doit être compensée autant que possible. C’est le cas sur la ligne GALAXIES grâce à la large acceptance angulaire de l’analyseur et au flux de photons élevé.
Conclusion
La station HAXPES de GALAXIES se place donc comme une extension des outils déjà utilisés sur la ligne dans le domaine de la photoémission. Cette technique, en plein essor, est assez répandue dans le domaine de la physique du solide et exploitée par plusieurs groupes à travers le monde. En revanche, elle est pour le moment unique pour les études sur la matière diluée et sur les liquides. En effet, l'étude des systèmes isolés (gaz) nécessite un grand flux de photons, apporté ici par le rayonnement synchrotron, de façon à compenser la baisse des sections efficaces d'ionisation à haute énergie. De plus, le spectromètre de GALAXIES est un nouveau modèle qui permet de collecter beaucoup d'électrons – ce qui est une autre façon de compenser la baisse de section efficace d'ionisation.
Premiers résultats obtenus sur GALAXIES
Figure 1: Spectre de photoémission des raies 4f de l’or. Le spectre est enregistré à hn=9.84keV en utilisant la réflexion Si(444) du monochromateur, conduisant à une résolution de Dhn»60meV.
Exemple de mesure sur un gaz à haute énergie de photons / haute résolution
Figure 2: spectre de photoémission de la couche 1s l’Argon, enregistré à 7260 eV d’énergie de photon, avec une résolution de Dhn»70 meV.
Exemple pour l'accordabilité
Figure 3: spectres XAS de l’or autour du seuil L3 (mesure du courant échantillon) et de l’argon autour du seuil K (mesure du rendement partiel d’électrons).
1 – HAXPES : Hard X ray PhotoEmission Spectroscopy