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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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Mécanismes d’interaction responsables des pertes d’énergie des électrons
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3. Spectrométrie de pertes d’énergie des électrons à haute résolution (HREELS)
3.1 Principe de la mesure et description des spectromètres
Cette spectrométrie, décrite en détail dans un ouvrage de Ibach et Mills , s’intéresse plus particulièrement aux pertes d’énergie résultant d’excitations vibrationnelles (de 10 à 500 meV). Les analyseurs utilisés ont la forme d’hémisphères ou de secteurs cylindriques à 127o, ces derniers étant éventuellement modifiés avec une courbure torique. Les sources classiques d’électrons, ayant des distributions intrinsèques en énergie de l’ordre de 300 à 500 meV ne conviennent pas comme telles. Il est nécessaire de sélectionner une partie des électrons avant interaction avec la cible. Cette opération est réalisée par l’adjonction d’un monochromateur d’électrons et d’une lentille électrostatique d’accélération entre le canon à électrons et la cible.
Le monochromateur fonctionne comme un analyseur électrostatique dispersif dont le diaphragme de sortie sélectionne une tranche de la distribution maxwellienne des électrons en provenance du canon. Le monochromateur est l’élément capital du spectromètre HREELS. Son problème essentiel est la charge d’espace, due aux répulsions coulombiennes qui défocalisent le faisceau d’électrons et limitent le courant utile qu’il peut délivrer. Une solution fréquemment utilisée à l’heure actuelle est l’adjonction d’un pré-monochromateur (figure 3) travaillant à la limite de la charge d’espace, à énergie de passage élevée et permettant de décharger le monochromateur.
Le schéma d’un spectromètre HREELS hémisphérique conçu dans notre laboratoire ...
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