CASSIOPÉE

Deux onduleurs sont nécessaires pour couvrir la grande gamme en énergie de photons disponible à Cassiopée. Ils ont été développés et caractérisés par le groupe Elements d'Insertion de SOLEIL (Antoine Daël, Oleg Chubar, Fabrice Marteau, Chamseddine Benabderrahmane, Marie-Emmanuelle Couprie and Fabien Briquez).

Pour les basses énergies de photons, Cassiopée utilise un onduleur électronmagnétique HU256 (période de 256 mm) développé à SOLEIL et fabriqué au Budker Institute of Nuclear Physics à Novossibirsk (Russie). Cet onduleur fournit des photons polarisés linéairement (vertical ou horizontal) et circulairement (droit ou gauche) dans la gamme 8-155 eV (Figure 1).

Pour les hautes énergies de photons, Cassiopée utilise un onduleur à aimants permanents Apple II HU60 (période de 60 mm) développé et fabriqué à SOLEIL. Cet onduleur fournit des photons polarisés linéairement (vertical ou horizontal) et circulairement (droit ou gauche) dans la gamme 100-1500 eV (Figure 2).

Les optiques d'entrée jouent un rôle clé dans la stabilité et les performances de la ligne de lumière. Ces optiques sont constituées de trois miroirs en silicium (M1a est un miroir plan, M1b et M1c sont des miroirs sphériques) fixés sur une même table qui peut tourner autour d'un axe vertical situé dans le plan de M1a. En théorie, les surfaces des trois miroirs devraient être parallèles (Figure 3).

Ces trois miroirs (et particulièrement M1a) doivent pouvoir absorber la puissance radiative fournie par les onduleurs sans se déformer. Dans les pires conditions, cette puissance peut être de l'ordre de 250 W. Ces trois miroirs sont donc refroidis à environ 100K, température où le coefficient de dilatation du Si est proche de zéro, pour éviter toute déformation thermique sous faisceau. Ceci est réalisé à l'aide d'un circuit fermé d'azote liquide sous pression (9 bars).

Les optiques d'entrée ont deux positions de travail :

A basse énergie de photon (8-155 eV), quand l'onduleur utilisé est HU256. Dans ce cas, la table rotative est réglée pour une incidence du faisceau à 5.02° sur M1a. Le faisceau est ensuite réfléchie sur M1b dont le rayon est calculé pour focaliser le point source du HU256 sur les réseaux du monochromateur.

A haute énergie de photon (100-1500 eV), quand l'onduleur utilisé est HU60. La table rotative est alors réglée pour une incidence du faisceau à 2.44° sur M1a. Le faisceau est alors réfléchi sur M1c dont le rayon est calculé pour focaliser le point source de HU60 sur les réseaux du monochromateur.

Quand on passe d'une position à l'autre, un moteur supplémentaire peut être utilisé pour ne tourner que le miroir M1a dans le but d'ajuster le parallèlisme de M1a et des autres miroirs. Ces deux réflections font dévier le faisceau utile d'environ 62 mm dans le plan horizontal. C'est pourquoi un bloc de Tungstène est placé en aval de M1a pour bloquer les rayonnements gamma qui le traverse.

Géometrie du Monochromateur

La conception du monochromateur de Cassiopée a été conduite à SOLEIL par le groupe Optique. Plusieurs modifications ont été apportées au monochromateur SX700.

Le principe du monochromateur est décrit Figure 2. On peut choisir l'angle d'incidence α du faisceau blanc sur le réseau plan en tournant le réseau autour d'un axe horizontal. L'angle peut être modifié en tournant le miroir plan autour d'un axe horizontal situé sous le plan des réseaux pour assurer un une hauteur de faisceau sortant constante. Pour un couple donné (α, β), la longueur d'onde λ est donnée par la loi des réseaux:

cos α - cos β = N.k.λ

où k est l'ordre de diffraction (-1 pour Cassiopée) et N est le nombre de ligne par mm sur le réseau. Le monochromateur de Cassiopée contient trois différents réseaux avec 400 l/mm, 800 l/mm et 1600 l/mm.

Le monochromateur est conçu pour travailler en mode "Petersen modifié", i.e. α et β sont choisis pour toujours vérifier la relation suivante:

sin β ⁄ sin α = constante ≈ 0.2

pour assurer une résolution énergétique optimale pour toute la fenêtre d'énergie de photon disponible.

Réseaux

Les réseaux de Cassiopée focalisent le faisceau de photons en utilisant un espacement de lignes variable (Variable Line Spacing, VLS). La profondeur de gravure varie également dans la direction perpendiculaire au faisceau. En choisissant la position du réseau par rapport au faisceau, on peut choisir la profondeur vue par le faisceau pour améliorer la réflectivité du réseau à une énergie donnée. Les réseaux ont été fabriqués par l'entreprise Jobin-Yvon (Longjumeau, France).

Les trois stations expérimentales de Cassiopée sont:

• Spectroscopie de photoémission résolue en spin
• Spectroscopie de photoémission résolue en angle à haute résolution énergétique
• Chambre d'épitaxie par jets moléculaires

Ces trois chambres expérimentales sont interconnectées par un carrefour (Figure 1).

Les échantillons sont montés sur des plaquettes type Omicron et insérés par le SAS d'introduction situé au dessus du carrefour. Des détails supplémentaires sur l'introduction et le stockage des échantillons sont disponibles dans l'onglet Information utilisateurs.

Détecteurs

L'expérience de photoémission résolue en spin est constituée d’un analyseur MBS-A1, monté avec une fente d'entrée horizontale et avec une acceptance angulaire de ±15°, et un système de détection de spin FERRUM V-LEED. Une partie des photoélectrons est collectée par le détecteur 2D du MBS-A1, pendant que l’autre se dirige par une ouverture secondaire installée dans le plan de sortie de l'analyseur où un système d’optique de transfert guide les photoélectrons vers le détecteur V-LEED. Durant ce transfert, les photoélectrons traversent le rotateur de spin qui aligne la composante de spin sélectionnée sur l'axe de quantification du détecteur de spin. Les photoélectrons sont ensuite diffusés  par la cible du détecteur de spin puis sont collectés par un channeltron. De plus, l’aimantation dans le plan de la cible (c'est-à-dire la direction et le signe) peut être contrôlée via deux paires de bobines, offrant ainsi un moyen d'éliminer les asymétries instrumentales dans les données.

Préparation de la cible

La cible se compose d’un film de fer oxydé déposé sur un substrat W(100). Des cibles de fer oxydées fraîches peuvent être préparées en routine dans la chambre FERRUM qui comporte un évaporateur de Fe par bombardement électronique, tandis que la cible se trouve dans un porte-échantillon équipé d'un chauffage par bombardement électronique.

Environnement Echantillon

La station expérimentale de photoémission résolue en spin est équipée d'un manipulateur à 4 degrés de liberté. La translation Z (verticale) est motorisée alors que les translations X et Y et la rotation θ est manuelle (Figure 2). L'échantillon peut être refroidi jusqu'à environ 40 K par un cryostat à Hélium liquide. Il est possible de chauffer l'échantillon jusqu'à 300 K en faisant circuler du gaz froid dans la ligne de transfert.

L’échantillon peut-être aimanté dans le plan ou hors plan sous 0.1 T en dehors de la chambre de mesure.

Taille du faisceau

Le faisceau est dirigé vers la station expérimentale résolue en spin par un miroir toroïdal qui focalise le faisceau. Cependant, le faisceau est relativement étendue pour limiter les dommages sur l'échantillon lors d'acquisitions longues (Figure 3).

Détecteurs

La station expérimentale de spectroscopie de photoémission résolue en angle sur Cassiopée est équipée d'un analyseur d'électrons Scienta R4000 doté d'une acceptance angulaire de ±15° (Scienta Lentille Grand Angle). Cet analyseur peut être monté avec ses fentes d'entrée verticales ou horizontales.

Environnement échantillon

La station ARPES est équipée d'un manipulateur 6 axes (X, Y, Z, θ, χ, φ ) motorisé et d'un système de refroidissement à circuit fermé ColdEdge Stinger qui permet d’atteindre une température minimale de ~20K sur le  manipulateur. L'analyseur Scienta est monté avec ses fentes verticales. La conjugaison d'une acceptance angulaire de 30° et de la rotation θ permet de scanner une grande zone de l'espace réciproque (Figure 4).

Taille de faisceau

Le faisceau est focalisé par une optique pseudo-Wolter située juste en amont de la chambre expérimentale. Il s'agit d'un miroir sphérique et d'un miroir toroïdal (Figure 5).

La taille du faisceau dépend de l'énergie de photon mais est toujours de l'ordre de la dizaine de microns (Figure 6).

La chambre expérimentale d'épitaxie par jets moléculaires est équipée d'instruments pour la préparation et la caractérisation des surfaces et le dépôt de films minces (Figure 7):

• Canon à ions de 3-keV (OCI IPS3-D)
• Spectroscopie Auger (Staib ESA100)
• LEED (Omicron SpectaLEED)
• RHEED (SPECS RHD30)
• 10 évaporateurs à creusets 3kW (Thermionics)
• Evaporateur à bombardement électronique transférable (Omicron EFM3)
• Microbalances à Quartz (Inficon IC/5 controller)

Environnement Echantillon

La chambre MBE dispose d'un manipulateur avec trois emplacements (Figure 8):

• Position 1: Bombardement électronique (température jusqu'à 1000°C) et rotation azimutale pour le RHEED.
• Position 3: Chauffage par courant direct (pour semi-conducteurs).

La ligne Cassiopée dispose d'un système fiable et efficace pour transférer des échantillons sensibles à l'air ambiant entre les laboratoires des utilisateurs et la ligne de lumière. La valise de transfert ultra-vide est légère (15 kg) et dispose d'un pompage autonome grâce à un groupe de pompage combiné NEG et ionique. Elle permet de manipuler des plaquettes de type Omicron compatibles avec les stations expérimentales de Cassiopée. Elle est facile à monter et à manipuler.

La valise se monte sur toute chambre ultra-vide à l'aide d'une bride CF40. La pression de base dans la valise est de l'ordre de 10^-10 mbar. Cette pression peut être mesurée indirectement en mesurant le courant de la pompe ionique.

Un parking permettant de stocker 5 échantillons est situé dans la valise.

Une canne de transfert avec une course de 400 mm et un orienteur permet de transférer les échantillons

La longueur totale de la valise est 1100 mm et le poids en dessous de 15 kg. Pour permettre une manutention plus facile, des plaques de protections et des poignées sont fixées sur la valise.

La ligne Cassiopee utilise des plaquettes de type Omicron pour monter les échantillons: la valise ultravide permet de manipuler ces plaquettes (voir Informations Utilisateurs/Porte Echantillons).

Un manuel complet est disponible en téléchargement plus bas sur cette page (en anglais).

Les échantillons sont montés sur des plaquettes type Omicron (Figure 1a). Ces plaquettes peuvent être de différentes épaisseurs de manière à maintenir l'axe de rotation du manipulateur dans le plan de la surface de l'échantillon (exemple Figure 1b), ce qui est essentiel pour les mesures ARPES. L'épaisseur globale échantillon + plaquette doit être de 5 mm.

Figure 1: Plaquette type Omicron plate (a) et plaquette surélevée (b). Les dimensions maximales des échantillons sont 12x12 mm² puisque 2 mm doivent rester libre sur les côtés.

Des plaquettes spéciales conçues pour le chauffage par courant direct sont aussi disponibles (Figure 2). Elles pourront être utilisées sur le système d'application de tension/courant in-situ qui est en construction actuellement.

Figure 2: Plaquette type Omicron conçue pour l'application de courant direct. Les dimensions maximales de l'échantillon dans ce cas sont 7x7 mm².

Chargement et Stockage des Echantillons

Les échantillons peuvent être introduits rapidement sous vide par un SAS UHV monté sur le carrefour (Figure 3).

Figure 3: Photo du carrefour avec le SAS UHV (au dessus).

Stockage des Echantillons

Dans le carrefour, les échantillons peuvent être stockés sur un carousel qui peut contenir jusqu'à 16 échantillons (Figure 4).

Figure 4: Vue du carousel dans le carrefour.

Ligne CASSIOPEE
Synchrotron SOLEIL
Orme des Merisiers BP 48 - Saint Aubin
91192 - Gif-sur-Yvette, FRANCE