Apports de la microscopie électronique en transmission pour la caractérisation de la structure et de la forme des nano-objets

Transcription

1 Apports de la microscopie électronique en transmission pour la caractérisation de la structure et de la forme des nano-objets Yann LE BOUAR (LEM, CNRS/ONERA, Châtillon) Journées industrielles de l Institut Carnaot MINES, 24 janvier 2008

2 Contenu de l intervention Intérêt de la caractérisation fine des nano-objets: exemple : les nanoparticules pour le stockage magnétique. Techniques de microscopie électronique : - microscopie en haute résolution - tomographie électronique

3 Contexte : Enregistrement magnétique d informations Le codage informatique : 1 ou 0 Le stockage d information non volatile est assuré par l anisotropie de l énergie magnétique Matériaux ferromagnétiques : moment magnétique bloqué (aimant permanent) Augmenter les capacités de stockage = Réduire la taille des domaines magnétiques (augmenter leur densité) 1 bit d information = 100 grains Matrice non magnétique 1 0 FILM MAGNETIQUE GRANULAIRE Grain magnétique D = 10 nm épaisseur = 10 nm (Produit Seagate, 2003)

4 La solution «nano» : 1 nanoparticule = 1 bit magnétique Les problèmes de la réduction de la taille des domaines magnétiques Réduction de l aimantation : détection? Augmentation des fluctuations de la direction de l aimantation (agitation thermique) Nouvelles propriétés physiques (effets de taille : forte proportion d atomes en surface ) 100 Gbit / pouce 2 10 nm Albert Fert Prix Nobel de physique 2007 ~ 10 Tbit / pouce 2!!!!

5 La solution «nano» : 1 nanoparticule = 1 bit magnétique Caractéristiques du matériau : Fort moment magnétique Forte anisotropie magnétique (structure ordonnée) (Ferromagnétique à température ambiante : K u V >> kt) Nanoparticules CoPt ou FePt L1 0 ordonnée CFC désordonnée Le contrôle des propriétés magnétiques nécessite de maîtriser: - la morphologie (taille et forme) - la structure de la nanoparticule -> besoin de caractérisation fine!

6 Outil de caractérisation : la microscopie électronique Un mode d utilisation : Imagerie haute résolution Electrons : particules et ondes Traversée de l échantillon Diffraction Mécanique quantique Interférences Grossissement Aberrations Electrons (200keV) Nano-objets Lentilles magnétiques Image projetée de l objet Détecteur (Caméra) Performances : - grossissement : x x résolution < distance entre atomes

7

8 Images de microscopie électronique en haute résolution Nanoparticules magnétique Co-Pt D. Alloyeau et al., MPQ + LEM Vue d un ensemble de nanoparticules Image d une nanoparticule orientée L étude de la périodicité de l image renseigne sur la structure de la nanoparticule La compréhension fine de l image est difficile: Le contraste dépend fortement et de manière oscillante de : - la focalisation - l épaisseur de l objet Nécessité de calculs de simulation de contraste réalisés sur ordinateurs: - calculs basés sur la mécanique quantique (théorie dynamique) - codes commerciaux (ex: JEMS) ou codes de recherche ( ex: Crystal)

9 Images de microscopie électronique en haute résolution Nanoparticules magnétique Co-Pt D. Alloyeau et al., MPQ + LEM Vue d un ensemble de nanoparticules Image d une nanoparticule orientée Nanotubes BN R. Arenal et al. LEM

10 Etude fine des nanoparticules orientées 750 C 650 C Nanoparticules de même taille projetée mais de structure différentes??? Les particules ci-contre ont des épaisseurs différentes ordonnée 1 nm désordonnée L étude de la périodicité de l image renseigne sur la structure de la nanoparticule La compréhension fine de l image est difficile: Le contraste dépend fortement et de manière oscillante de : - la focalisation - l épaisseur de l objet Nécessité de calculs de simulation de contraste réalisés sur ordinateurs: - calculs basés sur la mécanique quantique (théorie dynamique) - codes commerciaux (ex: JEMS) ou codes de recherche ( ex: Crystal)

11 Simulation du contraste d une nanoparticule désordonnée => Epaisseur de la nanoparticule

12 Caractérisation 3D en microscopie électronique: La tomographie électronique Principe : - aquérir un ensemble d images selon des orientations différentes - reconstruire la forme 3D des objets (post-traitement informatique) Méthode récente, très prometteuse!

13 Importance de la morphologie 3D (Tomographie) 66 nm 4.5 nm Qualité de la reconstruction sensible - au pas angulaire - à l angle maximum - à la correction de la dérive Exemple : 140 images entre +/- 70 >> nécessité d une procédure automatisée Facteur d alongement : P. Penczek et al. Ultramicroscopy 60, (1995)

14 Exemple d utilisation de la tomographie électronique 32 nm Plan (y, z) Nanoparticules CoPt Ricolleau et al., MPQ T. Oikawa, JEOL z y x Plan (x, z) 9,2 nm

15 Exemple d utilisation de la tomographie électronique 32 nm Plan (y, z) Nanoparticules CoPt Ricolleau et al., MPQ T. Oikawa, JEOL y x z Plan (x, z) 9,2 nm Échantillon Ep1Rec650 Échantillon Ep1Rec750

16 Caractérisation des nano-objets Le microscope électronique en transmission est un outils privilégié: - de nombreux signaux analysables (EELS, EDX, ) - caractérisation structurale (HRTEM, diffraction, ) - une résolution spatiale à l échelle atomique - des possibilités d analyse 3D en plein développement Le tout dans le même appareil!