Development of near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry for sub-micrometric analysis of solid samples - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2016

Development of near-field laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry for sub-micrometric analysis of solid samples

Développement de l'ablation laser en champ proche couplée à l'ICPMS pour l'analyse sub-micrométrique d'échantillons solides

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Abstract

A near field laser ablation method was developed for chemical analysis of solid samples at sub-micrometric scale. This analytical technique combines a nanosecond laser Nd:YAG, an Atomic Force Microscope (AFM), and an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICPMS). In order to improve the spatial resolution of the laser ablation process, the nearfield enhancement effect was applied by illuminating, by the laser beam, the apex of the AFM conductive sharp tip maintained at a few nanometers (5 to 30 nm) above the sample surface. The interaction between the illuminated tip and the sample surface enhances locally the incident laser energy and leads to the ablation process. By applying this technique to conducting gold and tantalum samples, and semiconducting silicon sample, a lateral resolution of 100 nm and depths of a few nanometers were demonstrated. Two home-made numerical codes have enabled the study of two phenomena occurring around the tip: the enhancement of the laser electrical field by tip effect, and the induced laser heating at the sample surface. The influence of the main operating parameters on these two phenomena, amplification and heating, was studied. An experimental multi-parametric study was carried out in order to understand the effect of different experimental parameters (laser fluence, laser wavelength, number of laser pulses, tip-to-sample distance, sample and tip nature) on the near-field laser ablation efficiency, crater dimensions and amount of ablated material. The experimental results obtained in terms of crater sizes are in good agreement with the theoretical results of these codes. Finally, preliminary offline analyses of the ablated material were carried out by ICPMS. The first characterization tests by transmission electron microscopy of the ablated particles showed gold nanoparticles with diameter ranging between 50 and 200 nm.
Une technique d’ablation laser dite en champ proche a été développée pour l’analyse chimique d’échantillons solides à l’échelle sub-micrométrique. Cette technique combine un laser Nd:YAG nanoseconde, un microscope à force atomique AFM et un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICPMS). Afin d'améliorer la résolution spatiale de la technique d’ablation laser classique, l'effet de champ proche, consistant à amplifier l’énergie du laser très localement a été mis à profit. Cet effet est obtenu par illumination, par un faisceau laser, de la pointe conductrice de l’AFM placée à quelques nanomètres (5-30 nm) de la surface d’un échantillon. En appliquant cette technique d’ablation sur des échantillons conducteurs, l’or et le tantale, et un échantillon semi-conducteur, le silicium, une résolution latérale de 100 nm et des profondeurs de quelques nanomètres ont été obtenues. Deux codes numériques développés au laboratoire ont permis l’étude de deux phénomènes intervenant aux alentours de la pointe : l’amplification du champ électrique du laser par effet de pointe, et le chauffage induit par le laser à la surface de l’échantillon. L’influence des principaux paramètres opératoires sur ces deux phénomènes d’amplification et de chauffage a été étudiée. Une étude expérimentale multi-paramétrique a été réalisée afin d’étudier l’influence des différents paramètres (fluence du laser, longueur d’onde, nombre de tirs, distance pointe-échantillon, nature et dimensions de la pointe, nature de l’échantillon) sur l’efficacité d’ablation, sur les dimensions des cratères et sur la quantité de matière ablatée. Les résultats expérimentaux obtenus en termes de dimensions de cratères sont en bon accord avec les données théoriques des codes. Enfin, des premières analyses de la matière ablatée en mode "hors-ligne" ont été effectuées par l’ICPMS. Des premiers essais de caractérisation par microscopie électronique à transmission des particules ablatées ont montré des nanoparticules d’or de diamètre compris entre 50 et 200 nm.
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tel-01412949 , version 1 (09-12-2016)

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Cite

Chirelle Jabbour. Développement de l'ablation laser en champ proche couplée à l'ICPMS pour l'analyse sub-micrométrique d'échantillons solides . Chimie. Université Pierre & Marie Curie - Paris 6, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01412949⟩
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