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Auteur(s)
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Paul A. THIRY : Docteur ès Sciences - Chef de Travaux aux Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, à Namur (Belgique)
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Roland CAUDANO : Docteur ès Sciences - Directeur du Laboratoire Interdisciplinaire de Spectroscopie Électronique (LISE) - Professeur ordinaire aux Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, à Namur (Belgique)
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Jean-Jacques PIREAUX : Docteur ès Sciences - Chargé de cours aux Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, à Namur (Belgique)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Quand un électron d’un faisceau incident extérieur de moyenne ou basse énergie entre en contact avec de la matière condensée, il peut interagir avec celle-ci de deux façons, en cédant de l’énergie au réseau des ions ou aux électrons. Les spectres de pertes d’énergie des électrons rétrodiffusés (ou éventuellement transmis) par une cible solide révèlent des structures caractéristiques liées à l’excitation de phénomènes collectifs ou individuels.
L’énergie du faisceau des électrons incidents (de quelques eV à quelques centaines d’eV) est choisie de façon à rendre maximale la section efficace de l’interaction avec le phénomène que l’on désire mettre en évidence. On peut établir que les électrons incidents doivent avoir au moins trois à quatre fois l’énergie des pertes caractéristiques pour avoir une probabilité raisonnable de les exciter. Ces énergies correspondent à des libres parcours moyens électroniques relativement courts (de l’ordre de quelques nanomètres au maximum), c’est dire que les spectrométries de pertes d’énergie des électrons doivent être considérées comme des techniques spécifiques d’analyse de surface des matériaux.
Les méthodes décrites ici sont non destructives : elles permettent l’identification de composés ou d’éléments chimiques présents à la surface d’un échantillon, principalement au moyen de leur signature vibrationnelle, mais également par leurs autres excitations électroniques caractéristiques : plasmons et transitions interbandes. Ces informations sont essentiellement qualitatives, mais en étalonnant à l’aide d’autres techniques, on a pu établir que, dans le cas du monoxyde de carbone adsorbé sur un métal, la limite de détection est inférieure à 0,001 monocouche (1 monocouche correspond à une densité d’environ 1014 atomes par cm2 de surface).
Contrairement aux autres spectrométries électroniques, la spectrométrie de pertes d’énergie des électrons à haute résolution est très sensible aux éléments légers et en particulier à l’hydrogène. L’analyse d’échantillons isolants est possible en spectrométrie HREELS, moyennant l’utilisation d’un canon à électrons de neutralisation. Cette spectrométrie permet la détermination quantitative des constantes diélectriques et élastiques de surface des échantillons, à partir de l’observation respective de phonons optiques et acoustiques de surface.
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Applications de la spectrométrie de pertes d’énergie des électrons à haute résolution
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4. Mécanismes d’interaction responsables des pertes d’énergie des électrons
Deux mécanismes ont été identifiés :
-
l’interaction dipolaire à longue distance permet le couplage de l’électron avec des excitations actives en infrarouge (vibrations ou oscillations de plasma) ; elle domine en réflexion spéculaire ;
-
l’interaction d’impact est à courte portée et permet le couplage avec toutes les excitations élémentaires du solide ; elle est observable principalement en dehors de la réflexion spéculaire.
4.1 Diffusion dipolaire
La diffusion dipolaire consiste essentiellement en une interaction de type coulombien entre le champ électrique accompagnant l’électron incident et les fluctuations du champ dipolaire engendré par les excitations élémentaires de la cible. Pour que le couplage soit effectif, il faut que ces excitations entraînent des variations de moment dipolaire. C’est la condition de détection des modes actifs en spectrométrie infrarouge. À cause de la longue portée du potentiel coulombien, la diffusion dipolaire commence de façon significative lorsque l’électron est encore très loin de la surface (entre 10 et 100 nm) et se poursuit pendant un temps relativement long (10–14 à 10–13 s). En conséquence, même si l’électron ne pénètre pas dans la cible, la spectrométrie HREELS permet la détection d’excitations dipolaires jusqu’à une profondeur importante (> 10 nm) à condition que celles-ci ne soient pas écrantées par une couche de matériaux à caractère métallique (voir plus loin). Dans ce cas, on ne peut évidemment plus parler d’une technique d’analyse d’extrême surface.
La section efficace de diffusion dipolaire peut être calculée dans le cadre de la théorie diélectrique qui a été appliquée pour la première fois par Fermi à la diffusion inélastique d’électrons de haute énergie (plusieurs keV). On consultera utilement sur ce sujet la référence ...
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