Spectrométries de pertes d’énergie des électrons dans les solides : Principe de la mesure et caractéristiques

Présentation

Auteur(s)

Paul A. THIRY : Docteur ès Sciences - Chef de Travaux aux Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, à Namur (Belgique)
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)
Jean-Jacques PIREAUX : Docteur ès Sciences - Chargé de cours aux Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix, à Namur (Belgique)

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INTRODUCTION

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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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-p2635

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Spectrométrie de pertes d’énergie des électrons (EELS)

En anglais

1. Principe de la mesure et caractéristiques

Les spectres de pertes d’énergie des électrons rétrodiffusés (ou éventuellement transmis) par une cible solide révèlent des structures caractéristiques observées à E₀ – E_c où E₀ est l’énergie initiale des électrons et E_c est une énergie caractéristique associée à l’excitation de phénomènes collectifs ou individuels.

Les excitations collectives sont essentiellement les vibrations du réseau des ions (phonons) ou les oscillations des électrons de valence (plasmons).

Les excitations individuelles recouvrent deux sortes de phénomènes : vibrations de molécules, généralement adsorbées en surface, ou de groupements moléculaires, et excitations des électrons du solide. Ces dernières peuvent être de plusieurs types :
- la promotion d’un électron vers un niveau supérieur vide de sa propre bande électronique (transition intrabande) ou d’une autre bande (transition interbande),
- la création d’une paire électron-trou liée (exciton),
- l’émission d’un électron secondaire par ionisation d’un atome du solide (transition vers le continuum des états non liés au solide).
Lorsqu’elles impliquent l’excitation de phénomènes périodiques, les pertes d’énergie des électrons font intervenir un ou plusieurs quantums d’énergie, notés [où ω est la pulsation de l’oscillation mise en jeu et , la constante réduite de Planck (1,0546 × 10^–34 J · s)].

À l’exception des phonons et vibrations de molécules dont les énergies se trouvent dans un domaine allant de quelques meV (1 eV = 1,6 × 10^–19 J) à quelques centaines de meV, toutes les pertes d’énergie allant de quelques eV à quelques dizaines d’eV sont accessibles à la spectrométrie de pertes d’énergie des électrons...