PSI: analyse de la structure de matériaux au nanomètre près

«Les deux méthodes que combine le nouveau microscope NanoXAS sont l’analyse d’absorption des rayons X (XAS) et la microscopie à sonde de balayage», a expliqué Jörg Raabe, chef de projet de la structure de l’appareil. «Le XAS permet de déterminer les éléments chimiques qui sont contenus dans un matériau, et même, avec les meilleurs appareils, dans des zones d’une dizaine de nanomètres de grandeur seulement. Avec la microscopie à sonde de balayage, au moyen de laquelle on explore une surface à l’aide d’une pointe fine, il est possible dans le meilleur des cas d’établir la position exacte de chaque atome particulier.» La combinaison des deux méthodes permet désormais pour la première fois de déterminer où se trouvent les atomes et à quels éléments chimiques ils appartiennent. On peut reproduire ainsi la structure avec une précision atomique.

Appareils plus petits et plus performants

Le NanoXAS permet d’établir la «carte géographique chimique» d’un matériau avec une précision proche du nanomètre. A l’aide de cette machine, on peut par exemple observer en détail dans des matériaux d’accumulation magnétiques ou des semi-conducteurs la façon dont des propriétés techniquement intéressantes aboutissent. Les résultats contribueront à améliorer de tels matériaux pour des applications futures et à faciliter la construction d’appareils électroniques plus performants tels que PC, caméras digitales, MP3 ou autres appareils qui exigent de grandes capacités de stockage de données, a souligné le PSI lors de la cérémonie d’inauguration. Le NanoXAS combine deux techniques: l’une permet de définir l’emplacement des atomes, et l’autre montre les éléments chimiques présents à l’endroit examiné.

Lumière aux propriétés particulières

Pour l’analyse d’absorption des rayons X, le NanoXAS utilise les rayons X provenant de la Source de Lumière Synchrotron Suisse (SLS) de l’Institut Paul-Scherrer. La lumière de rayons X de la SLS est supérieure sous divers angles à celle qui est produite dans des sources classiques de rayons X. Elle est nettement plus intense et peut également être adaptée de diverses manières aux besoins de chaque expérience: l’énergie réglable («couleur») de la lumière rend seule possible la détermination des éléments chimiques contenus dans un échantillon. La polarisation modifiable permet de différencier divers états magnétiques dans le matériau.

Coopération internationale

Le NanoXAS est issu d’une coopération entre divers organismes suisses et allemands. Parallèlement au PSI, le Laboratoire fédéral d’essai des matériaux (Empa) et l’Université de Bâle participent à la mise en place de la station de mesure proprement dite. La ligne de rayonnement qui dirige les rayons X vers la station de mesure et prépare l’expérience a été construite en coopération avec l’Université d’Erlangen/Nuremberg et l’Université libre de Berlin. Le coût total du projet atteint 2,1 millions de francs, dont le ministère fédéral allemand de la formation et de la recherche a pris à sa charge 700’000 francs. Le projet est également soutenu financièrement par le Competence Centre for Materials Science and Technology (CCMX) du Conseil des EPF.