la microscopie électronique en transmission : techniques...
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La microscopie électronique
en transmission :
techniques et applications
Centre des Matériaux
P.-M. FOURT
Mohamed SENNOUR
Master DMS 2015 Méthodes expérimentales et techniques de laboratoire 1
1897: J. J. Thomson découvre l’électron en étudiant les rayons cathodiques
1925: Louis de Broglie postule la nature ondulatoire de la matière: λ = h/mv
1926: C. Davisson et L. Germer montrent la nature ondulatoire des électrons
1926: Hans Busch démontre qu’un champ électromagnétique a le même effet
sur un électron qu’une lentille optique sur un rayon lumineux
1927: Wehnelt et Gabor préconisent l’utilisation des champs électrique et
magnétique pour focaliser les rayons cathodiques
1930: Début des travaux de Ernst Ruska et Max Knoll à TH Berlin
1931: Ruska et Knoll obtiennent la première image agrandie 14.4 fois.
1986: Ernest Ruska est lauréat du prix Nobel de physique
Rappels historiques
Master DMS 2015 Méthodes expérimentales et techniques de laboratoire 2
Objectif Lens
Microscope FEI TECNAI F20-ST
Centre des Matériaux – MINES Paris Tech
Canon
Faisceau
électronique
Echantillon
Lentilles de
diffraction,
intermédiaire et
projecteurs
Ecran
d’observation
Lentilles
condenseur
Lentille Objectif
Diaphragme objectif
Le microscope électronique à transmission (MET)
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La qualité des observations et des analyses en MET est conditionnée par la qualité des échantillons
Amincissement ionique (Ar+) Amincissement électrolytique
Usinage ionique (FIB)
15 µm
Polissage Tripode
Les techniques de préparation des échantillons
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UltramicrotomieRépliques extractives
Fe3O4
NiCr2O4
Acier 316L
Diffraction électronique Cristallographie
Analyse EDX (Energy Dispersive X-ray)
Composition chimique locale
Matrox-74-2b
Imagerie conventionnelleMicrostructure, défauts, …EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy)
Composition et liaison chimique
Imagerie haute résolutionStructure atomique
Le MET: un mini-laboratoire
400 410 420 430 440 450
Perte d'énergie (eV)
Seuil N-K
AlN Hexagonal
AlN Cubique
0.5 µm
Energie (keV)
Inte
ns
ité
86420
200
150
100
50
0
C
O
Fe
Fe
Fe Ni
Ni
NiCr
Cr
Tomographie ElectroniqueImagerie 3D
STEM-HAADFContraste chimique
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Source: Toyohashi University of Technology
Taille de sonde < 0.3 nm
Imagerie conventionnelle
Champ clair Champ sombre
hkl
000
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Imagerie haute résolution
Contraste de phase
2 nm
2 Å
Caractérisation des nanomatériauxJ-P. Boudou et al., Nanotechnology 20 (2009)235602
Analyse quantitative des imagesDéformations locales dans un joint Σ3 dans le cuivre nanocristallin
Sennour et al., J. Mat. Sci., 43(2008) 3806
5%
-5%
exx
y
x
G1
001
110
[110]
001
110
2 nm
G2
b = a/3[111]
(111)
(112)
+0.5 %
-0.5 %
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50 nm
Nanodiamants
Imagerie en mode balayage en transmission ( STEM )
High-Angle Annular Dark-Field (HAADF) :
I ∝ Z2 ( Z-contrast)
50 nm
Zone enrichie en Ni
Cr2O3
STEM - HAADF
Carbure Cr 23C6
50 nm
STEM-HAADFCorrosion sous contrainte de l’alliage 600
Thèse P. Laghoutaris - 2009
TEM
STEM-HAADF à résolution atomiqueAlliage Al - 3%Ag
R. Erni et al., Phil. Mag. Let. 83 (2003) 599
HR STEM - HAADF
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HAADF
Faisceau incident
convergent
Objet
BF
HAADF
DF DF
Lentilles
Post-objet
Spectroscopie X à dispersion d’énergie (EDX)
O
Cr
Fe
Ni
Analyse chimique locale des matériauxPointe de fissure oxydée dans l’alliage 600
Sennour et al., Journal of Nuclear Materials 393 (2009) 254–266
86420
O
FeK
FeLNiK
NiK
NiL CrK
KeV
FeK
50 nm
Pointe de fissure (CSC)
Alliage 600
A
B
Position (um)
% p
oids
6040200
80
60
40
20
0
e-
hυ
N2
Objet
Détecteur
Si(Li)
Amplificateur
Analyseur
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Taille de sonde < 0.3 nm
Spectroscopie des pertes d’énergie des électrons
(EELS)
Faisceau e-
Objet
Fente
d’entrée
Prisme
magnétique
Résolution en
énergie: 0.7eV
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185 195 205 215 225 235 245 255Energy Loss (eV)
x = 0.76
x = 0.51
x = 0.32
x = 0.15
x = 0
B K-edge in TixZr1-xB2
Energy loss (eV)
BB
B
Zr
Ti
LaB6
TixZr1-xB2
Investigation de la cristallo-chimie localeCéramiques eutectiques LaB6 /TixZr1−xB2
I. Jouanny et al. J. of the Eur. Cer. Soc., 34 (2014) 2101–2109
Seuil B-K dans Ti xZr1-xB2
B
B
Seuil B-K dans LaB 6
BB
Zr
BB
Zr
Ti
Fente de
sélection
Faisceau e-
Objet
Fente
d’entrée
Prisme
magnétique
Système de
lentilles Camera CCD
Imagerie filtrée en énergie (EFTEM)
N O Cr
Cartographie chimique à haute résolutionRevêtement multicouche Cr/CrN sur un substrat en Si
M-H. Berger, S. Labdi
N
Cr OCr+O
Cr+N N+O
50 nm
N-K
O-K
Cr- L32
Méthode des 3
fenêtres
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Spectrum – Imaging (SI)
70 80 90 100 110 120 1300
1000
2000
3000
AlN hexagonal AlN cubique
Inte
nsité
(u.
a)
Energie (eV)
AlN cubique
AlN hexagonal
Imagerie des structures fines Cartographies AlN Cubique / AlN hexagonal dans un alliage base fer
P. Bayle-Guillemaud et al., Journal of Microscopy, Vol. 210, Pt 1 April 2003, pp. 66–73
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EFTEM - SITEM
∆x
∆y
∆E
STEM - SI
Spectrum – Imaging (SI)
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Document Gatan®
La tomographie électronique
Projection
Reconstruction
+ 80°
- 80°a
b
c
Imagerie 3D des défauts dans les matériauxPrécipités de chrome dans un joint de grain d’un acier 316L
Weyland et al., Materials Today, decembre 2004, 32.
Structure 3D des nano-objetsNanoparticules de palladium
Ersen et al., Solid State Sciences 9 (2007) 1088-1098
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Exemples d’études MET réalisées au CDM
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Microstructures des dislocations et des précipités
Précipités θ’ and Q’ dans l’alliage base AlSi 7Cu3.5Mg0.1
Thèse P. Osmond - 2010
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B
A
C
Microstructure de dislocations dans l’alliage Ti-62 42 déformé Thèse H. Jousset - 2008
A
B C
[001]
[010]
[100]
θ’ (Al3Cu)
Q’ (avec Cu)
Image faisceau faible g(3g)
Précipités dans les alliages métalliques
Analyse MET de la précipitation dans un joint soudé d’un acier 9Cr-1Mo modifiéThèse F. Vivian - 2009
Caractérisation MET des précipités M 23C6 et M2C dans l’acier martensitique P91Thèse E. Piozin - 2014
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Caractérisation des céramiques eutectiques de type LaB6 / (Zr1-xTix)B2
Post-doc I. Jouanny - 2011
LaB6
(Zr0.6Ti 0.4)B2
100
001
(0001)
(001)
Analyse MET de revêtements CrN sur un substrat en ac ierPost-doc P. Girardon - 2009
(200) 2.07 Å
(020) 2.07 Å
CrN
Fe cc
{110} 2.03 Å
100 nm
Couche mince déposée par PVD
substrat
Epitaxy
Absence d’épitaxie à cause de la présence d’une poche amorphe
à la surface du substrat
CrN cfc
Fe cc
increase of N2 partial pressure during film deposition
Cr2N CrNCr2N + CrN Cr2N + CrN CrN1+x
N K-edge
Couches minces / interfaces
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LaB6
TixZr1-xB2
Fissure
Cartographies chimiques EFTEM
Les fissures de CSC
Étude par MET de la corrosion sous contrainte de l’ alliage 600Thèse P. Laghoutaris - 2009
Caractérisation MET de la corrosion sous contrainte de l’alliage 304L laminéThèse P. Huguenin - 2012
2 µm
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Etude de la structure et des Propriétés des
nanomatériaux
Master DMS 2015 Méthodes expérimentales et techniques de laboratoire 20
0 2 4 6 8 10 12 14 160
2
4
6
8
10
12
14
ε 1
ε2
0 20 40 60 800
2
4
6
8
10
12
14
16
ε1
ε2
ε (q
,E)
Energy (eV)
Etudes des propriétés diélectriques de nanoparticul es pour la modélisation de la perception des peintu res de véhiculesThèse M. Benachour - 2015
Diagramme Cole-Cole ε2=f(ε1)présentant les différentsphénomène de polarisation
Calcul des parties réelle (ε1) etimaginaire (ε2) de a fonctiondiélectrique
Acquisition de spectre EELS low-losssur une particule d’hématite avec une bonne résolution énergétique (0.7 eV)
Toxicité des nanoparticules : caractérisation MET e t par nanotomographie de nanoparticules d’oxydesPost-doc A. Maguer - 2009