MEB-FEG Fort courant ZEISS «Merlin»

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1 MEB-FEG Fort courant ZEISS «Merlin» Exemple d application : quantification de monocouches de ségrégation par WDS Frédéric hristien, Pawel Nowakowski, Yann Borjon-Piron, René Le Gall LGMPA - Polytech Nantes Université de Nantes Rue hristian Pauc Nantes cedex 3 Journée Nanocaractérisation 5 mars 2010

2 Le MEB Zeiss «Merlin» Equipement financé dans le cadre du PER et installé en octobre Gamme de tension kv Résolution à 15 kv 1 nm Résolution à 1 kv 1.7 nm ourant max. garanti à 20 kv 300 na ourant max. mesuré à 20 kv ~400 na Equipements analytiques (Oxford Instruments) Spectroscopie EDX Spectroscopie WDX améra «EBSD»

3 La spectroscopie WDX (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy) Électrons On utilise la diffraction pour trier les RX suivant leur longueur d onde hν Relation de Bragg : kλ = 2d sinθ λ 2θ θ λ 1 µm d WDX EDX EDX MoS 2 Résolution spectrale (sur Mn Kα) 12 ev 125 ev Limite de détection Quantification des éléments légers 10 ppm 500 ppm oui difficile WDX

4 La ségrégation interfaciale Ségrégation superficielle Surface Joint de grain Pore Ségrégation intergranulaire Précipité onséquences : fragilisation intergranulaire, accélération de la corrosion, modification de l activité catalytique Les éléments concernés : Phosphore : fragilisation des aciers Soufre : fissuration à chaud des alliages de nickel, écaillage des barrières thermiques des aubes de turboréacteurs Essai de traction à 600 sur une éprouvette d Invar contenant 10 ppm de soufre (Simonetta-Perrot)

5 La spectroscopie Auger Très faible profondeur d analyse qq 10 aines Å Electrons Auger Électrons Primaires 5 kv est LA technique de prédilection pour l étude des ségrégations interfaciales. 1 µm Sensibilité extrême à la contamination de surface impossibilité de travailler sur des surfaces qui ont été en contact avec l atmosphère Travail in-situ sous ultra-vide (~10-10 Torr) Technique «peu quantitative» Faciès de rupture et spectre Auger obtenu sur un échantillon d acier inoxydable rompu in-situ. P 170 Faciès h at de 460 rupture Energie (ev)

6 La ségrégation de surface Matériau : nickel pur contenant 7.2 ppm massique de soufre Recuit en ampoule scellée sous vide pendant 112 h à 800 Ségrégation superficielle attendue = ½ monocouche Spectre WDX I Raie Kα du soufre à 20 kv. Temps de comptage : 100 s par point. ourant de faisceau : 400 na.

7 Quantification µ = K S I I Std Quantité de soufre par unité de surface (g.cm -2 ) Intensité mesurée sur l échantillon Intensité mesurée sur un témoin (FeS 2 ) Modèle «XPP» : K = S FeS 2 ξ FeS 2 ( ρz) 0 = 155,6 g.cm ξ Ni ( 0) dρz µ S = 155,6 0, = 4, g.cm -2 = 7, atomes/cm 2 = 1 2 monocouche Measuring surface and grain boundary segregation using wavelength dispersive X-ray spectroscopy Surface Science 602 (2008) F. hristien*, R. Le Gall

8 La ségrégation aux joints de grains 1. Recuit du nickel à 750 pour provoquer la ségrégation du soufre aux joints de grains 2. Rupture par traction dans l azote liquide 3. Introduction dans le MEB et analyse WDS d une 20 aine de facettes intergranulaires 200 µm omment prendre en compte la rugosité de la surface dans la quantification du soufre?

9 La ségrégation aux joints de grains omment prendre en compte la rugosité de la surface dans la quantification du soufre? En incidence normale : Pour une surface inclinée : µ = K µ S S = I I Std K I cosθ I Std Électrons θ omment mesurer θ? abs B 0 B cosθ abs B θ cosθ B B 0 abs abs abs

10 La ségrégation aux joints de grains Protocole de mesure onditions : 20 kv, courant max. On mesure le courant de faisceau (~400 na) On mesure I Std sur FeS 2. On choisit ~20 zones de ~50 µm x 50 µm favorablement orientées par rapport au spectromètre. Pour chaque zone, on mesure du courant absorbé pour connaître l inclinaison (cosθ). Pour chaque zone, on mesure I. Temps de comptage : 30 s + 2x15 s = 60 s. On répète 6 fois et on moyenne. Pour chaque zone, on quantifie µ S. On fait la moyenne des µ S de toutes les zones. 200 µm

11 La ségrégation aux joints de grains inétique de ségrégation du soufre aux joints de grain dans le nickel à 750

12 La ségrégation aux joints de grains Dispersion des mesures sur une zone Ech 3 / Zone N 1 : 0.36 Ech 2 / Zone N 1 : 0.22 Ech 1 / Zone N 1 : 0.14

13 onclusion Possibilité de détecter et quantifier des fractions de monocouches superficielles Limite de détection comparable à celle de la spectroscopie Auger (~% de monocouche) Possibilité de travailler sur des surfaces rugueuses Technique très peu sensible à la contamination de surface. Possibilité de travailler sur des surfaces qui ont été en contact avec l atmosphère.