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RÉSUMÉ
La spectroscopie Auger est une technique de microanalyse des surfaces qui permet l'identification des éléments constituant les premières couches atomiques (quelques nanomètres) de la surface des solides. Sa mise en oeuvre s'effectue dans un équipement analogue à celle d'un microscope électronique à balayage, doté de l'ultravide et équipé d'un analyseur d'électrons. Les limites de la technique sont liées aux effets perturbateurs du faisceau incident d'électrons, notamment sur les matériaux isolants ou fragiles.
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The Auger spectroscopy is a technique for the microanalysis of surfaces which allows for the identification of the components of the first atomic layers (of a few nanometers) of the surface of solids. Its implementation is carried out in equipment similar to that of a scanning electron microscope with the ultarvoid and equipped with an electron analyzer. the limits of this technique are linked to the disruptive effects of the incident electron beam, notably on insulating or fragile materials.
Auteur(s)
-
Jacques CAZAUX : Professeur émérite à l’université de Reims
INTRODUCTION
La spectroscopie des électrons Auger (AES : « Auger electron spectroscopy ») induite par les électrons est une technique d’analyse des surfaces qui permet d’identifier les éléments (sauf H et He) constituant les toutes premières couches atomiques (quelques nanomètres) de la surface des solides avec une résolution latérale qui peut atteindre quelques nanomètres et une limite de détection de quelques dizaines ou moins d’atomes identiques. Son principe repose sur le mécanisme de l’effet Auger avec l’émission d’électrons ayant des énergies cinétiques caractéristiques des éléments dont ils sont issus et indépendantes de l’énergie des particules excitatrices incidentes. Aux fins de microanalyse des surfaces, le processus Auger est généralement induit par un faisceau finement focalisé d’électrons incidents de quelques kiloélectronvolts (5 à 25 keV) dans un équipement spécifique ayant une structure analogue à celle d’un microscope électronique à balayage qui serait doté de l’ultravide et équipé d’un analyseur d’électrons. En microanalyse locale, la sonde électronique incidente est focalisée sur le détail à analyser et le spectre des électrons, émis entre 50 eV et 2,5 keV est acquis. La position énergétique des raies Auger permet de déterminer la nature des éléments constituants et la mesure de l’intensité des raies permet, elle, d’accéder à leur concentration (dosage ou quantification). La précision sur les concentrations peut atteindre 5 % at/at, notamment quand les protocoles suggérés par des normes ISO (qui résultent d’une coopération internationale, le programme VAMAS) sont suivies.
Les limites de la technique sont liées aux effets perturbateurs du faisceau électronique incident qui rendent sa mise en œuvre délicate sur des matériaux isolants (effets de charge) et sur les matériaux fragiles comme par exemple les polymères (effets thermiques).
Détaillés dans le dossier suivant , les développements de la technique concernent la possibilité d’acquérir des cartographies x, y de la répartition des éléments superficiels (en mode balayage de la sonde incidente) ou des profils en profondeur de ces mêmes éléments (en mode sonde fixe combiné à une érosion ionique). Ses performances conduisent à des applications privilégiées concernant les industries de la microélectronique (analyse et contrôle des circuits à haute intégration), de la métallurgie (pour la composition des joints de grains), de la mécanique et des traitements de surface, voire de la catalyse (pour l’analyse ponctuelle de catalyseurs dispersés) ainsi que dans les laboratoires de recherche et d’application des multicouches métalliques, en attendant son développement prévisible dans les différents domaines des nanotechnologies.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1978 par Claude Le GRESSUS
- Version archivée 2 de avr. 1990 par Claude LE GRESSUS
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Instruments, spectres et performances
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1. Principe de l’effet Auger
1.1 Mécanisme
Le mécanisme de l’effet Auger concerne tous les corps quelque soit leur état, solide, liquide ou gazeux (sauf H et He), et il peut être provoqué par n’importe quel type de particule incidente, ion, électron, positron ou photon X, dès lors que l’énergie de la particule est suffisante pour arracher un électron atomique.
Dans les années 1923-1925, Pierre Auger (1899-1993) a découvert l’effet qui porte son nom à l’aide du dispositif expérimental schématisé sur la figure 1, ce qui lui permit d’obtenir de nombreux clichés photographiques tels que celui schématisé sur la figure 2 [1] [2]. Dans ce dispositif, des atomes de gaz rares (Ar, Kr, Xe) successivement dilués dans de l’hydrogène moléculaire sont irradiés par un pinceau de rayons X et les trajectoires des électrons résultant de l’interaction entre un photon X et un atome sont visualisées dans une chambre de Wilson et photographiées. Pierre Auger observe que l’éjection de photoélectrons est souvent (mais non systématiquement) accompagnée de l’émission d’un ou de plusieurs autres électrons et il baptisera le phénomène « effets tertiaire (et quaternaire) » ou « effet photoélectrique composé ». Il observe ensuite que le changement de l’énergie des photons X incidents n’affecte que l’énergie des photoélectrons mais non celle des électrons supplémentaires alors que, pour une énergie donnée des photons X, l’énergie des électrons supplémentaires change avec le numéro atomique des atomes cibles. En évaluant la fraction d’atomes étant le siège de l’effet composé par rapport au nombre total d’atomes sièges de l’effet photoélectrique, il obtiendra aussi, et pour la première fois, une estimation très correcte du rendement Auger a et de son complément à l’unité, le rendement de fluorescence ω. L’ensemble de son étude lui permettra de jeter les bases théoriques des phénomènes qu’il a observés.
Cette découverte, pour fondamentale qu’elle fut, n’a pas été immédiatement suivie d’applications pratiques en analyse des surfaces car la sensibilité superficielle...
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