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
Résumé
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.