Un nouvel équipement scientifique de pointe à Grenoble

Un PFIB-SEM* de dernière génération financé par Grenoble INP-UGA et le CEA a été inauguré à Grenoble. Historiquement présents dans le monde du semi-conducteur, les FIB-SEM sont rares en milieu universitaire, et ceux à technologie plasma comme c’est le cas de cette nouvelle acquisition, plus encore. Cet équipement remplace celui, devenu obsolète, acheté en 2009 dans le cadre de la fondation Nanosciences. Il conforte la collaboration sur cette technique entre Grenoble INP-UGA et le CEA.

Fin 2022, un PFIB-SEM de dernière génération a pris place sur la Plate-forme de Nanocaractérisation (PFNC) du CEA de Grenoble. D’un coût total de 1 032 000 euros, il a été financé pour moitié par le CEA, et pour l’autre moitié par Grenoble INP-UGA avec le soutien du Labex CEMAM (Centre d’excellence pour les matériaux architecturés multifonctionnels).

Rare en milieu universitaire, cet instrument scientifique couplant une sonde ionique focalisée (focused ions beam, FIB) avec un microscope électronique à balayage (MEB), permet de graver la matière avec une précision inférieure à 10 nm à l’aide d’un faisceau d'ions focalisé. Ici, une technologie nouvelle à plasma xénon remplace celle à base d’ions gallium. « La nouvelle technologie plasma augmente les vitesses d’abrasion ionique jusqu’à un facteur 20 par rapport à un FIB traditionnel au gallium tout en limitant le phénomène d’implantation ionique, explique Laurent Maniguet, directeur de la plateforme CMTC**. Concrètement, on peut obtenir des coupes de plusieurs dizaines de microns de côté en quelques minutes. » L’appareil se comporte comme un scalpel nanométrique permettant de creuser la matière, couplé à un microscope électronique pour l’observer.

PFIB-SEM De multiples applications

L’application principale de cet outil est la fabrication de lames minces (moins de 100 nanomètres d’épaisseur) pour la microscopie électronique en transmission (MET). C’est particulièrement utile pour l’observation de matériaux architecturés, dont on peut « observer l’empilement des différentes couches, mesurer l’épaisseur et regarder ce qui se passe au niveau des interfaces à l’échelle nanométrique. » A Grenoble INP-UGA, il sera notamment utilisé pour la préparation d’échantillons destinés à la cartographie d’orientation cristallographique de grains, grâce au système ASTAR développé au laboratoire SIMaP***.

Deuxième grande application : l’imagerie en 3D. « Grâce au PFIB, on peut découper des tranches successives de moins de 10 nm d’épaisseur, explique encore Laurent Maniguet. A chaque tranche, on acquiert une image MEB, et l’ensemble permet de reconstruire le volume en 3D avec une grande précision. » Enfin, le PFIB sera utilisé pour abraser localement la matière, afin de l’observer sous la surface. Cet usage, particulièrement développé dans l’industrie du semi-conducteur, a diffusé en sciences des matériaux et du vivant. Citons également la micro-fabrication et la nano-manipulation d’objets.

L’arrivée de cet équipement complète parfaitement le parc d’instruments d’imagerie 3D disponibles sur la plateforme CMTC de Grenoble INP-UGA en termes d’échelles de visualisation de la matière. « Le PFIB-SEM se situe entre la tomographie X, comparable à un scanner médical, et la sonde atomique qui vient d’arriver au SIMAP*** et qui permet de faire de l’imagerie 3D à l’échelle d’un amas d’atomes ». Au sein de Grenoble INP-UGA, ce PFIB-SEM sera utilisé par de nombreux laboratoires partenaires du Labex CEMAM comme par exemple le SIMaP***, pour travailler sur les procédés de fabrication additive, le LEPMI**** où il contribuera au développement des batteries du futur, et le LMGP***** pour la conception de nano-objets.

*Plasma Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscope
**Consortium des Moyens Techniques Communs
***CNRS, UGA, Grenoble INP – UGA
****CNRS, UGA, Grenoble INP – UGA, USMB
****CNRS, UGA, Grenoble INP – UGA