Présentation
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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2. Spectrométrie de pertes d’énergie des électrons (EELS)
2.1 Principe de la mesure et description des spectromètres
La spectrométrie de pertes d’énergie des électrons (EELS) mesure des excitations électroniques dans un domaine de 1 à 100 eV résultant en création de plasmons, ou de transitions électroniques. Étant donné le domaine d’énergie dans lequel elle travaille, elle ne nécessite pas une haute résolution en énergie : on considère qu’une résolution de l’ordre de 0,3 à 0,5 eV est largement suffisante pour mettre en évidence les structures associées à ces pertes caractéristiques.
Les spectromètres EELS sont identiques à ceux utilisés pour la spectrométrie des électrons Auger et pour la spectrométrie de photoélectrons XPS ou ESCA et UPS . Ce type de spectromètre est constitué d’un analyseur dispersif et d’un canon à électrons dans lequel le faisceau d’électrons est produit par émission thermoélectronique à partir d’un filament chaud. La largeur de la distribution en énergie des électrons dépend de la température du filament et est donnée par la largeur à mi-hauteur de la distribution de Maxwell-Boltzmann. Cette largeur est de l’ordre de 460 meV pour un filament de tungstène thorié chauffé vers 2 100 K et de 370 meV pour un filament en hexaborure de lanthane (LaB6) qui émet à partir de 1 700 K.
Les analyseurs dispersifs utilisés sont de type électrostatique. La différence de potentiel appliquée entre les deux électrodes de l’analyseur (hémisphères ou cylindres) crée un champ central (analyseur hémisphérique) ou axial (analyseur cylindrique) qui disperse les électrons en fonction de leur énergie. Seuls seront sélectionnés par le diaphragme de sortie de l’analyseur, et par conséquent détectés,...
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