Plate-forme de Microscopie Electronique en Transmission 11 juillet 2014

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1 Plate-forme de Microscopie Electronique en Transmission 11 juillet 2014 Ces équipements sont cofinancés par l Union Européenne. L Europe s engage en France avec le Fonds Européen de Développement Régional

2 Plan - Contexte - Instruments - Plate-forme MET - Exemple de résultats Vincent Dorcet : imagerie, diffraction, analyse Philippe Castany : imagerie, tomographie L ensemble des présentations seront sur notre futur site web (sous réserve copyrights)

3 Historique 1 ère phase ( ) CR 1 MC 1 IE 1 IR Travaux salles prépa Travaux salles prépa Report crédits Acquisition appareils prépa Gel crédits Travaux salle MET Travaux salle MET Travaux salle MET 2 ème phase ( ) Inauguration Ouverture Notification crédits Appel d offre Commande Mise en place Mise en place Travaux salle MET Travaux salle MET Travaux salle MET Livraison Acceptation Formations Prise en main, tests, formations Prise en main, formations

4 Appareils de préparation (3 salles) Polisseuses, tripode (Escil) Scie à fil, Scie à disque (Escil) Découpe sous ultra sons (Fischione) Dimpler (Fischione) Plasma cleaner (Fischione) Amincisseur ionique (Fischione), t < 100 nm Amincisseur électrolytique (Struers) Microscopes optiques (Olympus, Leica) Evaporateur carbone et métaux (Elexience)

5 Travaux

6 Merci aux personnels de la DRIM Merci aux collègues pour leur patience

7 Installation

8 Installation

9

10 Microscopie électronique en transmission Livraison 2 septembre 2013 Acceptation 2 décembre 2013

11 MET Jeol kv, LaB 6 résolution TEM : 2,3 Å; résolution STEM : 1 nm équipé de : - EDS, système Oxford Aztec, détecteur SDD 80 mm 2 - STEM-HAADF, détecteur Jeol - STEM-BF, détecteur Jeol - Spectromètre de pertes d'énergie filtrée, système Gatan GIF, couplé à un détecteur STEM-DF Gatan - Caméra Gatan Orius 200D pour la diffraction et l'imagerie conventionne - Caméra Gatan Ultra-scan pour l'imagerie haute résolution - Système de précession électronique Nanomégas - Système de tomodiffraction des électrons ADT3D - Système de tomographie Gatan - Porte-objets simple tilt, double-tilt analytique, traction, tomographie - Logiciels de traitement de données (Jems, GPA, DGM, Aztec, ATD3D)

12 Objectifs scientifiques Un instrument puissant et versatile Collection simultanée de nombreuses informations sur l'objet étudié : Imagerie du micron au nanomètre (contraste cristallin, contraste de numéro atomique), Imagerie haute résolution, Diffraction des électrons, Cartographie chimique, Cartographie de liaisons chimiques, Spectroscopies. Propriétés cristallographiques, structurales, microstructurales, chimiques, spectroscopiques.

13 Un instrument pluridisciplinaire Plusieurs types de matière et matériaux : Matière condensée ou divisée Matériaux massifs Films minces Nano-objets, poudre Composites Nanosciences, Chimie du solide et des matériaux, Chimie pour la catalyse, Physique de la matière condensée, Physique des surfaces et interfaces, Géosciences, Matériaux pour les télécommunications, Biologie, Biomatériaux, Métaux, alliages, Semi-conducteurs Polymères Céramiques, oxydes, verres Bio-matériaux, Echantillons biologiques

14 Limitations Echantillonnage très limité Épaisseur, dégâts induits par l amincissement Nature du matériau Image de projection Dégâts d irradiation

15 Principes de l instrument Microscope lumière visible Microscope électronique en transmission Microscope MET optique Longueur d onde 550 nm 0,004 nm Résolution δ 300 nm 0,0027 nm résolution TEM : 2,3 Å

16 Interactions électrons-matière Faisceau incident (haute tension kv) Electrons Auger Electrons rétrodiffusés (BSE) Electrons secondaires (SE) Rayons X Lumière Visible épaisseur nm Echantillon Electrons diffusés élastiquement Faisceau direct Bremsstrahlung Rayons X Electrons diffusés inélastiquement

17 Différents modes Mode TEM Mode Image Champ clair Champ sombre HRTEM Tomographie Mode diffraction Conventionnel Précession Tomodiffraction Mode STEM BF, ADF, HAADF XEDS Pertes d énergie (EELS/EFTEM)

18 Formation d une image et d un diagramme de diffraction par une seule lentille Plan objet Image et diffraction Faisceau incident O 1 O 2 O 3 Faisceau direct Lentille d Plan focal arrière F 1 F 0 F 2 Faisceaux diffractés ƒ Plan de diffraction Image agrandie et inversée (si d<2ƒ) Plan image I 3 I 2 I 1 Axe optique Information dans le plan image et dans le plan de diffraction de façon simultanée : Double-fonction de la lentille objectif

19 Mode image Diaphragme objectif Diaphragme SAED e - Echantillon Lentille objectif Plan focal arrière 1 ère image intermédiaire Lentille intermédiaire 2 ème "image" intermédiaire Lentille de projection Image finale

20 Mode image : rôle du diaphragme objectif e - Mode image : brightfield mode e - 100% Sélection du faisceau direct Diaphragme objectif Diaphragme SAED 90 % 5% 5% 90 % Mode image : darkfield mode Champ clair Plan focal arrière = plan de diffraction Insertion d un diaphragme objectif Sélection de certains faisceaux diffractés e - 100% 5% Champ sombre 5%

21 HRTEM Un diaphragme objectif relativement grand est utilisé pour sélectionner le faisceau direct et un ou plusieurs faisceaux diffractés. L interférence entre le faisceau direct et les faisceaux diffractés produisent des franges d interférences (contraste de phase) La distance interfrange est égale à la distance interplanaire image diffraction (000) (hkl) g aperture d hkl diffraction image g 3 g 2 -g 1 g -g 2 -g 3 aperture Les franges de réseau ne sont pas des images directes de la structure Dans les cas simples, on peut interpréter facilement les images HRTEM, mais une analyse quantitative (simulations) est nécessaire pour une complète interprétation

22 images de projection Tomographie Ech. F. Grasset, S. Cordier, ISCR Reconstruction Information 3D Coupes 2D

23 Mode diffraction Echantillon Lentille objectif Plan focal arrière 1 ère image intermédiaire Lentille intermédiaire e - Diaphragme obj. Diaphragme SAED 2 ème "image" intermédiaire Lentille de projection Ecran Diagramme de diffraction

24 MET conventionnelle : faisceau // axe de zone Faisceau incident Réseau de plans parallèles au faisceau incident specimen Diffraction Faisceau diffracté --- hkl 2 B 2 B Faisceau diffracté hkl Faisceau direct s <0 s <0 Structure (cristal ou non, maille) Diffraction liée à image : Microstructure (taille grains, forme, orientation) Défauts cristallins (macles, faute empilement, domaines)

25 Diffraction des Electrons en Précession (PED) (Ga,In) 2 SnO 5 Scan Non-precessed Specimen De-scan Precessed (Diffracted amplitudes) Diagramme de Diagramme diffraction de Precession en diffraction precession conventional Cette figure est extraite de : L. D. Marks, J. Ciston, C. S. Own & W. Sinkler + P. Midgley)

26 PED : faisceau tilté / axe de zone + mouvement du faisceau à h te fréquence Effets dynamiques minimisés Collection d intensités intégrées Détermination de la structure R. Vincent, P. A. Midgley. Ultramicr. 53 (1994) 271 K. Gjonnes, Y. Cheng, B.S. Berg, V. Hansen Acta Cryst. A 54 (1998) 102

27 Tomodiffraction e - Sélection d un cristal Rotation Echantillon Rotation séquentielle du cristal par pas de 1 Image 3D du réseau réciproque Traitement mathématique Série de clichés de diffraction en précession Domaine angulaire total = 90

28 Mode STEM STEM : Scanning Transmission Electron Microscopy Balayage du faisceau focalisé sur l échantillon STEM (en TEM conventionnel) Taille de sonde min. ~ 1 nm (compromis résolution/signal sur bruit) Intérêts de ce mode Imagerie BF ADF HAADF Spectroscopies XEDS EELS/EFTEM Diffraction D.B. Williams, C. Barry Carter. Transmission electron microscopy, 2 nd Ed. Springer

29 Mode STEM : imagerie Images : Detectors Champ clair Champ sombre annulaire Diffraction Champ sombre annulaire à grand angle Z-contrast

30 Mode champ clair (Brightfield BF) et champ sombre annulaire (Annular Darkfield (ADF)) Champ sombre annulaire Champ clair D.B. Williams, C. Barry Carter. Transmission electron microscopy, 2 nd Ed. Springer

31 Mode champ sombre annulaire à grand angle : High Angle Annular Darkfield (HAADF) Angle de diffusion élevé : Intensité (cross-section) liée au numéro atomique Z Signal amplifie les différences chimiques Contraste Z B. Fultz, J. Howe. Transmission Electron Microscopy and Diffractometry of Materials. Springer Avantages de cette technique : - Contraste Z - Contraste de diffraction (LAADF) - Association avec XEDS et EELS/EFTEM - Association avec la tomographie

32 Microanalyse : X-ray energy dispersive spectroscopy (XEDS) Électron éjecté Excitation E = 0 L 3 L 2 E ext L 1 Désexcitation K Radiative : rayon X E = 0 h = E K -E L Eext L 3 L 2 hν L 1 K K L M E-ΔE θ ΔE vers la bande de conduction

33 Microanalyse : X-ray energy dispersive spectroscopy (XEDS) - Détermination des éléments en présence - Quantification - STEM : profil de ligne, cartographie (kev)

34 Nanofil de silicium (L. Pichon, IETR)

35 Electron energy loss spectroscopy (EELS) Microscopie en énergie filtrée (SI et EFTEM)

36 Electron energy loss spectroscopy (EELS) Microscopie en énergie filtrée 3 modes : - Spectre (EELS) - EFTEM-TEM - EFTEM-STEM

37 Electron energy loss spectroscopy (EELS) Spectre de pertes d énergie des électrons Pertes faibles Interband transitions (< 10 ev) Valence e - (plamons) (< 30 ev) Core electrons excitation (> 13 ev) Pertes de cœur Spectre XEDS

38 Energy filtering imaging (EFTEM) en mode TEM Images obtenues en sélectionnant les é à une énergie spécifique Animation empruntée à Ph. Moreau (IMN Nantes)

39 Energy filtering imaging (EFTEM) en mode TEM Images montrant la distribution élémentaire (elemental mapping) Animation empruntée à Ph. Moreau (IMN Nantes)

40 Cartes élémentaires Illustration empruntée à Ph. Moreau (IMN Nantes) Capture de l information spatiale en parallèle Capture de l information spectrale en série Information suffisante pour identification des seuils (resolution spectrale faible)

41 Energy filtering imaging (EFTEM) en mode STEM Animation empruntée à Ph. Moreau (IMN Nantes)

42 Animation empruntée à Ph. Moreau (IMN Nantes)

43 Animation empruntée à Ph. Moreau (IMN Nantes)

44 Séquence de spectres Capture de l information spectrale en parallèle à chaque pixel Capture de l information spatiale en série (Bonne resolution spectrale, Résolution spatiale faible, temps d acquisition longs)

45 Organisation de la plate-forme Plate-forme Sciences de la Matière Centre de Microscopies Electroniques.... MET CMEBA Responsable : V. Demange Gestionnaire : S. Nogues 1 IR CNRS (50 %) : V. Dorcet 1 IE UR1 (50 %) : F. Gouttefangeas Responsable : M. Guilloux-Viry Gestionnaire : S. Nogues 3 IE UR1 (2 x 50 % + 1 CDD) 1 MET 17 Appareils de préparation 2 MEB 3 Appareils de préparation Fonctionnement mixte (usagers/spécialistes)

46 Comment avoir accès à la plate-forme (scientifiquement ) 1) Préparer sa demande - Quels besoins? - Synthèse publis, infos préparation, etc. 2) Contacter un des microscopistes 3) Budgétiser le coût de l expérience 4) Publier : remercier personnel, voire l associer 5) Retour bilan publis vers la plate-forme 6) Penser à budgétiser besoins futurs (ANR, etc.)

47 Perspectives Formation 2008 Accueil étudiants : TPs Formations personnels Préparation échantillons

48 Remerciements : financeurs Etat FEDER Région Bretagne ISCR CNRS Rennes Métropole UR1 Ces équipements sont cofinancés par l Union Européenne. L Europe s engage en France avec le Fonds Européen de Développement Régional

49 Remerciements : soutiens Etablissements, unités et équipes UR1 (C. Labit) INSA (M.H. Drissi) Ecole de Chimie ISCR (J.L. Adam, J.Y. Saillard M. Guilloux-Viry, O. Tougait, T. Gloriant, O. Lavastre) IPR (F. Solal, J.P. Landesman) Foton (A. Le Corre) IETR (X. Castel) Remerciements : personnels UR1 Direction de la Recherche et de l Innovation (DRI) C. Dugui-Thomazo V. Guichon S. Lachal M. Bernollin I. Rivière E. Seigneur A. Allix Direction de la Communication L. Germain J. Le Bonheur Service Général M. Rieux A.M. Vetier Imprimerie I. Jézequel Direction des Ressources Immobilières (DRIM) P. Le Morvan J. Tuffin Pôle des Marchés T. Collen M.A. Castille P. Conan M.A. Lemoine A. Collet Ressources Informatiques (CRI) L. Verheistraeten H. Orain

50 Remerciements : groupe de travail V. Demange P. Castany V. Dorcet F. Gouttefangeas V. Le Cam P. Turban C. Derouet Groupe de travail T. Guizouarn N. Troalic Y. Raskin S. Nogues A. Letoublon A. Houssay T. Biao B. Le Guennic P. Rolland L. Le Pollès D. François L.A. Cariou A. Perrin S. Marion S. Jaouen O. Pena A. Roucoux M. Davranche Y. Meheut M. Pedrot Equipe CSM Collègues extérieurs J.F. Dhenin (Lille) F. Houdellier (Toulouse) X. Devaux (Nancy)

51 Remerciements : fournisseurs Jeol J. Fournel R. Ravelle-Chapuis N. Ravier Gatan D. Monville V. Richard Y. Hémar B. Barlassina Oxford J-L. Barbenchon E. Pasquier Nanomegas P. Durand E. Mugnaioli S. Nicolopoulos Elexience/Fischione L. Loos P. Raffin A. Robins Escil J. Sergeant C. Leroy

52 Remerciements : groupe de travail V. Demange P. Castany V. Dorcet F. Gouttefangeas V. Le Cam P. Turban C. Derouet Groupe de travail T. Guizouarn N. Troalic Y. Raskin S. Nogues A. Letoublon A. Houssay T. Biao F. Grasset B. Le Guennic P. Rolland L. Le Pollès D. François L.A. Cariou A. Perrin S. Marion S. Jaouen O. Pena A. Roucoux M. Davranche Y. Meheut M. Pedrot Equipe CSM Collègues extérieurs J.F. Dhenin (Lille) F. Houdellier (Toulouse) X. Devaux (Nancy)

53 Exploitation des données Version démo du logiciel DGM

54 Comment avoir accès à la plate-forme (physiquement ) Plate-forme en ZRR Personnels de l ISCR : Accès sans contrainte quelle que soit leur localisation Personnels hors-iscr (travaillant seuls) : Demande d autorisation (validité 5 ans) Visiteurs longue durée : Demande d autorisation Visiteurs : Registre + pièce d identité