Z E. Contraste de composition d'un alliage Au/Sn (Au en blanc)

Transcription

1 Iteractios électros/matière I_ Trasfert d'éergie A. Iteractio élastique 1) Pricipe Lors d'ue iteractio élastique, l'électro primaire iteragit avec u oyau des atomes du matériau. Il e perd pas, ou peu d'éergie mais il subit ue diffusio élastique, c'est-àdire que sa directio est modifiée, sas perte d'éergie. La sectio efficace d'iteractio est, pour ue iteractio doée, la portio d'électros subissat ce type d'iteractio das le matériau. Pour l'iteractio élastique, elle est de : Cotraste de compositio d'u alliage Au/S (Au e blac) σ élastique Z = ) Électros rétrodiffusés Après u certai ombre de diffusios élastiques, u électro icidet peut ressortir de la cible ; o dit qu'il est rétrodiffusé. Plus le matériau a des atomes lourds, plus le ombre d'électros rétrodiffusés augmete. Ces électros permettet d'observer le cotraste de compositio chimique, c'est-à-dire ue coupe de la surface du matériau où o voit la positio des différets élémets. Les surfaces blaches représetet les atomes les plus lourds. 3) ffets sur le matériau L'iteractio élastique produit tout de même certais effets sur le matériau car ue toute petite partie de l'éergie de l'électro est trasférée : q ffets thermiques (0,01 à 0,1 ev) : l'atome oscille légèremet par rapport à sa positio d'origie. Cela crée des vibratios das le solide (phoos) qui géèret de la chaleur. C'est u effet parasite e microscopie, mais o se sert de cette propriété das des fours électroiques idustriels. q ffets chimiques (3 à 5 ev) : ue liaiso faible se rompt à cause de l'apport d'éergie. Cet effet a peu de coséquece. q ffet de déplacemet atomique (10 à 30 ev) : l'atome reçoit ue éergie suffisate pour être déplacé ; la structure du matériau s'e trouve modifiée. C'est u problème e microscopie. Rétrodiffusé

2 B. Iteractio iélastique 1) Pricipe Lors d'ue iteractio iélastique, l'électro primaire iteragit avec les électros des atomes du matériau. Celui-ci trasfère alors ue grade partie de so éergie. Plus le trasfert est importat, plus l'agle de diffusio est importat. Cette iteractio a ue sectio efficace : σ iélastique Z = ) ffets sur le matériau l xcitatio d'u électro L'électro acquière ue éergie suffisate pour aller das ue orbitale plus haute e éergie. Pour reveir à sa positio d'origie, l'électro émet u photo, le plus souvet u photo X. L'éergie de ce photo e pred alors que des valeurs précises, caractéristiques de l'élémet des atomes du matériau. O peut alors faire ue aalyse qualitative et semi-quatitative e détectat ces photos. l Éjectio d'u électro secodaire Lorsqu'u électro est peu lié, celui-ci peut acquérir ue éergie ciétique suffisate pour être éjecté. O l'appelle alors électro secodaire. Il a ue éergie plus faible que les électros primaires. Ces électros subisset des iteractios iélastiques das le matériau. Si leur éergie est suffisate, certais peuvet être éjectés de la surface du matériau. Ces électros permettet d'observer le relief e microscopie électroique à balayage. l Ioisatio Lorsqu'u électro est éjecté de so cortège, l'atome est sous forme ioisée. Pour reveir à so état ormal, u électro peut récupérer sa place par émissio d'u photo X. Celui-ci peut aussi être utilisé à des fis aalytiques. L'atome peut aussi récupérer so état e éjectat u électro peu lié, appelé électro Auger. Das certaies spectroscopies, o détecte ces électros pour idetifier les élémets du matériau. 3) Loi de raletissemet Lorsqu'u électro subit ue diffusio iélastique, so chagemet de directio se fait avec ue certaie perte d'éergie (l'électro raletit). Cette éergie est trasmise sous forme de photos. lle est resposable du spectre cotiu des rayos X. Polle

3 U électro e trasmet pas so éergie de maière costate, selo l'éergie qu'il possède déjà. La loi de Bethe doe l'éergie moyee perdue par u électro sur ue certaie distace, e foctio de so éergie. d dx Z d/dx Aisi plus l'éergie de l'électro est élevée, plus il a le temps de parcourir ue grade distace avat d'être raleti. De même, u atome plus lourd aura plus de chace d'arrêter u électro. C. Trajectoire électroique La trajectoire d'u électro peut être décrite comme ue successio de libres parcours rectiliges, format des agles de diffusio dépedat des iteractios de cet électro avec la matière (élastique ou iélastique). 0 Parcours libre foctio de la loi de Bethe Agle de diffusio foctio de la perte d'éergie Iteractio foctio de la sectio efficace 0 - iteractio Il faut doc coaître la probabilité (ou sectio efficace) pour qu'u type d'iteractio se produise et l'éergie iitiale de l'électro pour coaître le chemi parcouru etre chaque iteractio, d'après la loi de Bethe. O obtiet alors des poires d'iteractio. l Ifluece de l'éergie de l'électro Plus l'électro est éergétique, plus il péètre profodémet das le matériau. l Ifluece du uméro atomique Plus le matériau est lourd, plus il arrête le parcours de l'électro.

4 II_ Émissios électroiques A. Distributio éergétique et spatiale 1) Distributio éergétique Les électros primaires rétrodiffusés ot l'éergie la plus élevée. O retrouve certais pics u peu mois éergétiques qui correspodet aux électros primaires ayat subi quelques diffusios iélastiques. O retrouve esuite à ue éergie beaucoup plus basse les électros secodaires. O observe certai pics qui sot caractéristiques des électros Auger. Électros secodaires Électros rétrodiffusés Électros Auger Rétrodiffusés iélastiques ) Distributio spatiale O observe qu'u certai volume est balayé par u certai type d'électro. Aisi les électros primaires balaiet ue surface plus grade que les électros secodaires (meilleure résolutio pour les électros secodaires mais mois d'iformatios recueillies). 10 m 50 m Secodaires Primaires 10 m 50 m B. Émissio rétrodiffusée Les électros primaires rétrodiffusés ot perdu pas ou peu d'éergie. O les cosidère aisi si leur éergie est comprise etre 0 et 0 /. O défiit alors u coefficiet de rétrodiffusio η, qui est la fractio d'électros rétrodiffusés. η = rétrodiffusés evoyés η varie avec Z, c'est-à-dire qu'u matériau lourd revoie plus d'électros. Cette particularité permet d'observer le cotraste de compositio chimique au iveau de la surface. η e varie pas avec 0, l'éergie des électros primaires 'a pas d'ifluece sur leur capacité à sortir du matériau. C. Émissio secodaire 1) Coefficiet d'émissio

5 Les électros secodaires ot ue éergie beaucoup plus faible que les électros primaires rétrodiffusés. O cosidère qu'ils sot secodaires lorsque leur éergie est iférieure à 50 ev, bie que presque tous les électros secodaires ot ue éergie autour de à 5 ev. De la même maière, o défiit alors u coefficiet d'émissio secodaire δ, qui est le ombre d'électros secodaires éjectés par rapport au ombre d'électros primaires evoyés. δ = sec odaires éjectés evoyés U électro primaire peut éjecter plusieurs électros secodaires, doc δ peut être supérieur à 1. Les matériaux isolats coservat mois bie les électros, ceuxci possèdet u δ plus élevé que les matériaux coducteurs. δ e varie pas avec Z, o e peut pas relier le ombre d'électros secodaires à la taille de l'atome. ) Microscopie électroique à balayage La surface balayée par les électros, et doc le ombre d'électros secodaires revoyés, est différete e foctio de l'agle etre le faisceau icidet et la surface du matériau. O peut alors observer le relief du matériau grâce à ces électros. De plus, e foctio de l'agle du détecteur, o repère plus ou mois bie les électros selo qu'ils sot masqués ou pas. Cela crée ue impressio d'éclairage qui fait de très jolies images! Détecteur 3) Distributio spatiale Les électros secodaires s'échappat du matériau possèdet ue éergie ciétique faible, qui leur permet d'être facilemet attirées vers le détecteur. Ils ot ue faible profodeur d'échappemet, sur ue zoe correspodat à la zoe d'impact du faisceau d'électros primaires. III_ Émissio de photos X I A. Spectre d'émissio 1) Types de spectres Le spectre d'émissio de rayos X est composé de deux spectres superposés : u spectre de raies et u spectre cotiu. λ Le spectre cotiu est dû aux pertes d'éergie des électros primaires lorsqu'ils chaget de directio ("effet de freiage" par iteractios électrostatiques). Ce spectre est plus importat si le matériau possède des atomes lourds ou si l'éergie des électros primaires est plus forte.

6 Le spectre de raies correspod aux trasitios électroiques lorsqu'u atome du matériau est excité ou ioisé. effet, pour reveir à sa positio d'origie il émet u photo X. Ce photo a ue éergie égale à la trasitio électroique. lle est doc caractéristique des atomes du matériau. ) Aalyse du spectre Pour qu'ue trasitio électroique ait lieu, l'éergie de l'électro icidet doit avoir ue éergie supérieure à celle de la trasitio. La sectio efficace d'ioisatio est maximale pour ue éergie comprise etre : 0 0 > I > 8 Nombre de photos Sectio efficace d'ioisatio 0 Les trasitios état caractéristiques des atomes du matériau, o peut faire ue aalyse qualitative et quatitative précise de la surface à u certai edroit du matériau. C'est le pricipe de la microsode de Castaig. Les raies respectet certaies coditios, otammet le poids des raies ; cette propriété doe pour ue raie doée, l'itesité relative d'autres raies. B. Distributio spatiale Les photos X provieet d'u volume beaucoup plus large que pour les électros. La précisio des mesures est alors de l'ordre du micromètre. Cela peut deveir u problème e aalyse car o peut aalyser u défaut des couches profodes du matériau, idécelable e microscopie électroique. Heureusemet, la plupart des photos X détectés provieet de la surface du matériau. 1 µm Photos X 1 µm C. Iteractio photos X / matière U photo X peut être réabsorbé par les électros de la matière (effet photoélectrique), puis réémis, avec ue éergie plus faible. C'est la fluorescece. Ces iteractios touchet ue surface beaucoup plus large que les photos X directemet émis par les électros. Heureusemet, ils e comptet que 0,05 % des photos mesurés ; éamois, e microaalyse, il faut teir compte de ces iteractios pour corriger l'itesité des rayoemets détectés.