etude structurale par microscopie electronique et cristallographie ...
Microscopie Electronique à Balayage · 2015. 3. 20. · Microscopie Electronique à Balayage....
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Microscopie Electronique Microscopie Electronique à Balayage à Balayage
Nicole Fréty Journée Microscopie – Montpellier – 8 novembre 2012
MicroscopieMicroscopie ElectroniqueElectronique à à BalayageBalayage(MEB (MEB –– SEM)SEM)
• Observation de la topographie de surface d’échantillonsmassifs
2
• Images à forts grandissements / haute résolution
• Analyse de composition chimique (EDS)
• Analyse de la texture (EBSD)
Les Les différentesdifférentes échelleséchelles d’observationd’observation
macroscopiemicroscopie
nanoscopie
(atomique)
microstructure
3J. Ruste
oeil
microscopie optique microscopie électronique
(MEB, MET)
microscopie
champ proche
(AFM, STM)
� Large gamme d’observation (x10 à x800K)
� Résolution spatiale élevée (jusqu’à 1 nm)
� Profondeur de champ élevée
IntérêtIntérêt
4
� Analyse de composition chimique locale
� Préparation simple des échantillons
� Coût relativement faible
� Nombreux domaines d’application
EquipementEquipement
5SEM – Hitachi – S4500 – IEM Montpellier
Principe de Principe de fonctionnementfonctionnement
canon électrons
condenseur 1
condenseur 2
lentilles électro-
magnétiquesécran cathodique
générateur
balayage
6J. Ruste
condenseur 2
bobines balayage
e- rétrodiffusés
photons Xe- secondaires
échantillon
condenseur final
Source Source d’électronsd’électrons
� Emission thermoélectronique
- filament W (50 µm)
- extraction d’électrons par chauffage du filament 1 cm
7J. Ruste
� Emission à effet de champ (FEG : Field Emission Gun )
- pointe W (rayon courbure 10-100 nm)
- application d’un champ électrique intense (2-4 kV)
- extraction d’électrons par effet tunnel
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Cathode Filament W Pointe W
(FEG)
Vide
(Pa)10-3-10-4 < 10-8
Température
(K)2700 273
Rayon courbure
(µm)50 0.01-0.1
Cross-over
(µm)20-50 0.005
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(µm)20-50 0.005
Densité courant
(A/cm2)3 104 - 105
Brillance (à 30 kV)
A/cm2.sr104 - 105 108 - 109
Résolution lat.
(nm)3 – 5 1
Durée de vie (h) 50-100 > 2000
Coût (euro) ~ 100 ~ 2500
Interaction Interaction électronsélectrons//matièrematière
e- secondairese- rétrodiffusés
E0
� Poire d’interaction ~ 1 µm 3
10
5 -10 nm
0.1 -0.5 µm
1 µm
photons Xpics caractéristiques
photons Xfond continu
contraste
topographiquecontraste
chimique
analyse composition chimique
� Influence de la tension d’accélération
Cible Fe10 kV
20 kV
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Simulation Monte-Carlo
30 kV
0.5 µm
M. Betbeder
� Influence du numéro atomique
Cible C Cible Fe
10 kV
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0.5 µm
Emission Emission électroniqueélectronique secondairesecondaire
Electrons Electrons secondairessecondaires
� Interactions inélastiques avec le nuage électronique
� Electrons issus de la cible après ionisation
� Energie faible (moyenne 5-10 eV / <30 keV)
5-10 nm
e- secondairesE0
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électronsecondaire
électron primairediffusé
électron primaire incident
EE0
I
50 eV5-10
e- secondaires e- rétrodiffusés
pics Auger
i0
ies
Distribution Distribution angulaireangulaire des des électronsélectrons secondairessecondaires
� Loi de Lambert
cos θ θ θ θ = ies
i0
� Rendement
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� Rendement
δδδδcos θθθθ
1=
i0
ies=
Emission des électrons secondairesfonction de l’angle d’inclinaison de l’échantillon
ContrasteContraste d’électronsd’électrons secondairessecondaires
� Contraste
Variation du signal dépendant de :
- angle du faisceau incident / normale surface échantillon
- position du détecteur d’e- secondaires
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C = δδδδ1
δδδδ1 - δδδδ2
C = 1 -cos θθθθ1
cos θθθθ2222
θθθθ1
θθθθ2222
détecteur
électrons secondaires
faible énergie (5 – 10 eV)
libre parcours moyen faible (5-10 nm)
détection des e- secondaires
5-10 nm
e- secondairesE0
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détection des e secondaires émis près de la surface (5-10 nm)
forte influence de l’angle d’incidence
contraste topographique (SE)
pas d’influence directe de Z
θθθθ1
θθθθ2222
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500 µm
Oeil de guêpe
x 100
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Couches minces de nitrure de chromeS. El Mourabit, D. Cot, N. Fréty
Fibres de collagèneM.-N. Labour, E. Belamie,T. Cacciaguerra, D. Cot
Emission Emission électroniqueélectronique rétrodiffuséerétrodiffusée
Electrons Electrons rétrodiffusésrétrodiffusés
� Interactions élastiques avec le noyau
� Energie élevée (de l’ordre de E0)
interaction
0.1-0.5 µm
e- rétrodiffusésE0
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EE0
I
50 eV5-10
e- secondaires e- rétrodiffusés
pics Auger
interaction électron-noyau
J. Ruste
� Rendement des électrons rétrodiffusés
- influence de la topographie sur distribution spatiale des e-
- influence du numéro atomique sur le coef. de rétrodiffusion
Topographie Numéro atomique
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I0 Iηηηη
Iηηηη = η = η = η = η I0
Z élevé- forte attraction des e- par le noyau - probabilité de rétrodiffusion importante
0.1-0.5 µm
1 µm
e- rétrodiffusés E0
électrons rétrodiffusés
énergie élevée (E0)
détection des e- rétrodiffusés issus de ~ 0.1 – 0.5 µm Acier inoxydable
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rendement de rétrodiffusion � avec Z
contraste topographiquecontraste de composition
(BSE, Back-Scattering Electron)Nb Cr
T. Branza, F. Deschaux-Beaume
Z (Cu) = 29 - Z (Sn) = 50
CuCu--SnSn
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SE BSE
A. Bilot
Analyse de composition Analyse de composition chimiquechimique
photon Xtransitionradiative
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électron Auger
Ionisation
Désexcitation
transitionAuger
Analyse EDS Analyse EDS (Energy Dispersive X(Energy Dispersive X--ray Spectrometry)ray Spectrometry)
� Spectre en énergie des photons X photons X
1 µm
E0
24L. Boulat – B. Rebière
Skutterudite
Analyse qualitativeAnalyse qualitative
� Niveaux d’énergie caractéristiques des éléments
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Identification des éléments présents dans l’échanti llon
Analyse quantitativeAnalyse quantitative
� Soustraction du fond continu (Bremsstrahlung)
� Extraction des intensités des raies caractéristiques
Intensité du rayonnement X proportionnelle à la concentration élémentaire
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� Déconvolution des pics
� ! Intensité mesurée # intensité émise
influence angle solide de détection + efficacité du détecteur
I échantillon
I témoin
= k ratio
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� I témoin
mesurée sur échantillon témoin => analyse quantitative
extraite d’une bibliothèque de spectres=> analyse semi-quantitative
affranchissement de ces facteurs expérimentaux
� ! Effets “matrice”
kratio => concentration apparente
� 4 types d’effet matrice
• électrons primaires rétrodiffusés
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• électrons primaires rétrodiffusés=> ionisation �
• perte moyenne d’énergie des e- primaires /u. de parcours=> fonction de Z matériau
• absorption de photons X par la matrice avant émission
• phénomène de fluorescence du aux photons X
Analyse quantitativeModèles de correction des effets matrice
� Méthode ZAF
IAéchantillon
IA témoin
= k ratio = CA . Z . A .F
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• Z : facteur de correction / rétrodiffusion + perte d’énergie
• A : facteur de correction / phénomène d’absorption
• F : facteur de correction / phénomène de fluorescence
concentration en élément A
IA témoin
� Limitations de la méthode ZAF
• éléments légers (Z<10)
• faible tension d’accélération
• échantillons stratifiés
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=> Méthode ϕϕϕϕ(ρρρρz)
J.L. Pouchou ( 1984, 1988)
C. Merlet (1994)
G.F. Bastin (1996)
� Caractéristiques de la technique EDS
• analyse élémentaire, qualitative, quantitative
• résolution spatiale ~ 1 µm3
• limite de détection 500 à 1000 ppm
• quantification par calculs (avec ou sans étalon)
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• précision < 1% at.
• cartographie
• ! analyse quantitative
- échantillon plan et poli
- métallisation carbone des échantillons non conducteurs
- volume poire interaction / tension, Z
matrice(Fe-40%Ni-25%Cr)
Acier inoxydableAcier inoxydable
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carbures de niobium(précipités clairs)
T. Branza, F. Deschaux-Beaume
carbures de chrome(précipités sombres)
CrSE
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Fe Nb
Ammonite Ammonite pyriteusepyriteuse
34
Didier Cot
35
Didier Cot
Préparation des échantillonsPréparation des échantillons
� Echantillons massifs conducteurs
• découpe / dégraissage / séchage
• polissage (analyses)
� Echantillons massifs non conducteurs
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� Echantillons massifs non conducteurs
• métallisation Au, Pt, C
� Echantillons biologiques ou hydratés
• méthodes chimiques (fixation) ou physiques (congélation)
Microscopie électronique à balayageenvironnementale