Microscopie Electronique Microscopie Electronique à Balayage à Balayage

Nicole Fréty Journée Microscopie – Montpellier – 8 novembre 2012

MicroscopieMicroscopie ElectroniqueElectronique à à BalayageBalayage(MEB (MEB –– SEM)SEM)

• Observation de la topographie de surface d’échantillonsmassifs

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• Images à forts grandissements / haute résolution

• Analyse de composition chimique (EDS)

• Analyse de la texture (EBSD)

Les Les différentesdifférentes échelleséchelles d’observationd’observation

macroscopiemicroscopie

nanoscopie

(atomique)

microstructure

3J. Ruste

oeil

microscopie optique microscopie électronique

(MEB, MET)

microscopie

champ proche

(AFM, STM)

� Large gamme d’observation (x10 à x800K)

� Résolution spatiale élevée (jusqu’à 1 nm)

� Profondeur de champ élevée

IntérêtIntérêt

4

� Analyse de composition chimique locale

� Préparation simple des échantillons

� Coût relativement faible

� Nombreux domaines d’application

EquipementEquipement

5SEM – Hitachi – S4500 – IEM Montpellier

Principe de Principe de fonctionnementfonctionnement

canon électrons

condenseur 1

condenseur 2

lentilles électro-

magnétiquesécran cathodique

générateur

balayage

6J. Ruste

condenseur 2

bobines balayage

e- rétrodiffusés

photons Xe- secondaires

échantillon

condenseur final

Source Source d’électronsd’électrons

� Emission thermoélectronique

- filament W (50 µm)

- extraction d’électrons par chauffage du filament 1 cm

7J. Ruste

� Emission à effet de champ (FEG : Field Emission Gun )

- pointe W (rayon courbure 10-100 nm)

- application d’un champ électrique intense (2-4 kV)

- extraction d’électrons par effet tunnel

8

Cathode Filament W Pointe W

(FEG)

Vide

(Pa)10-3-10-4 < 10-8

Température

(K)2700 273

Rayon courbure

(µm)50 0.01-0.1

Cross-over

(µm)20-50 0.005

9

(µm)20-50 0.005

Densité courant

(A/cm2)3 104 - 105

Brillance (à 30 kV)

A/cm2.sr104 - 105 108 - 109

Résolution lat.

(nm)3 – 5 1

Durée de vie (h) 50-100 > 2000

Coût (euro) ~ 100 ~ 2500

Interaction Interaction électronsélectrons//matièrematière

e- secondairese- rétrodiffusés

E0

� Poire d’interaction ~ 1 µm 3

10

5 -10 nm

0.1 -0.5 µm

1 µm

photons Xpics caractéristiques

photons Xfond continu

contraste

topographiquecontraste

chimique

analyse composition chimique

� Influence de la tension d’accélération

Cible Fe10 kV

20 kV

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Simulation Monte-Carlo

30 kV

0.5 µm

M. Betbeder

� Influence du numéro atomique

Cible C Cible Fe

10 kV

12

0.5 µm

Emission Emission électroniqueélectronique secondairesecondaire

Electrons Electrons secondairessecondaires

� Interactions inélastiques avec le nuage électronique

� Electrons issus de la cible après ionisation

� Energie faible (moyenne 5-10 eV / <30 keV)

5-10 nm

e- secondairesE0

13

électronsecondaire

électron primairediffusé

électron primaire incident

EE0

I

50 eV5-10

e- secondaires e- rétrodiffusés

pics Auger

i0

ies

Distribution Distribution angulaireangulaire des des électronsélectrons secondairessecondaires

� Loi de Lambert

cos θ θ θ θ = ies

i0

� Rendement

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� Rendement

δδδδcos θθθθ

1=

i0

ies=

Emission des électrons secondairesfonction de l’angle d’inclinaison de l’échantillon

ContrasteContraste d’électronsd’électrons secondairessecondaires

� Contraste

Variation du signal dépendant de :

- angle du faisceau incident / normale surface échantillon

- position du détecteur d’e- secondaires

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C = δδδδ1

δδδδ1 - δδδδ2

C = 1 -cos θθθθ1

cos θθθθ2222

θθθθ1

θθθθ2222

détecteur

électrons secondaires

faible énergie (5 – 10 eV)

libre parcours moyen faible (5-10 nm)

détection des e- secondaires

5-10 nm

e- secondairesE0

16

détection des e secondaires émis près de la surface (5-10 nm)

forte influence de l’angle d’incidence

contraste topographique (SE)

pas d’influence directe de Z

θθθθ1

θθθθ2222

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500 µm

Oeil de guêpe

x 100

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Couches minces de nitrure de chromeS. El Mourabit, D. Cot, N. Fréty

Fibres de collagèneM.-N. Labour, E. Belamie,T. Cacciaguerra, D. Cot

Emission Emission électroniqueélectronique rétrodiffuséerétrodiffusée

Electrons Electrons rétrodiffusésrétrodiffusés

� Interactions élastiques avec le noyau

� Energie élevée (de l’ordre de E0)

interaction

0.1-0.5 µm

e- rétrodiffusésE0

19

EE0

I

50 eV5-10

e- secondaires e- rétrodiffusés

pics Auger

interaction électron-noyau

J. Ruste

� Rendement des électrons rétrodiffusés

- influence de la topographie sur distribution spatiale des e-

- influence du numéro atomique sur le coef. de rétrodiffusion

Topographie Numéro atomique

20

I0 Iηηηη

Iηηηη = η = η = η = η I0

Z élevé- forte attraction des e- par le noyau - probabilité de rétrodiffusion importante

0.1-0.5 µm

1 µm

e- rétrodiffusés E0

électrons rétrodiffusés

énergie élevée (E0)

détection des e- rétrodiffusés issus de ~ 0.1 – 0.5 µm Acier inoxydable

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rendement de rétrodiffusion � avec Z

contraste topographiquecontraste de composition

(BSE, Back-Scattering Electron)Nb Cr

T. Branza, F. Deschaux-Beaume

Z (Cu) = 29 - Z (Sn) = 50

CuCu--SnSn

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SE BSE

A. Bilot

Analyse de composition Analyse de composition chimiquechimique

photon Xtransitionradiative

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électron Auger

Ionisation

Désexcitation

transitionAuger

Analyse EDS Analyse EDS (Energy Dispersive X(Energy Dispersive X--ray Spectrometry)ray Spectrometry)

� Spectre en énergie des photons X photons X

1 µm

E0

24L. Boulat – B. Rebière

Skutterudite

Analyse qualitativeAnalyse qualitative

� Niveaux d’énergie caractéristiques des éléments

25

Identification des éléments présents dans l’échanti llon

Analyse quantitativeAnalyse quantitative

� Soustraction du fond continu (Bremsstrahlung)

� Extraction des intensités des raies caractéristiques

Intensité du rayonnement X proportionnelle à la concentration élémentaire

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� Déconvolution des pics

� ! Intensité mesurée # intensité émise

influence angle solide de détection + efficacité du détecteur

I échantillon

I témoin

= k ratio

27

� I témoin

mesurée sur échantillon témoin => analyse quantitative

extraite d’une bibliothèque de spectres=> analyse semi-quantitative

affranchissement de ces facteurs expérimentaux

� ! Effets “matrice”

kratio => concentration apparente

� 4 types d’effet matrice

• électrons primaires rétrodiffusés

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• électrons primaires rétrodiffusés=> ionisation �

• perte moyenne d’énergie des e- primaires /u. de parcours=> fonction de Z matériau

• absorption de photons X par la matrice avant émission

• phénomène de fluorescence du aux photons X

Analyse quantitativeModèles de correction des effets matrice

� Méthode ZAF

IAéchantillon

IA témoin

= k ratio = CA . Z . A .F

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• Z : facteur de correction / rétrodiffusion + perte d’énergie

• A : facteur de correction / phénomène d’absorption

• F : facteur de correction / phénomène de fluorescence

concentration en élément A

IA témoin

� Limitations de la méthode ZAF

• éléments légers (Z<10)

• faible tension d’accélération

• échantillons stratifiés

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=> Méthode ϕϕϕϕ(ρρρρz)

J.L. Pouchou ( 1984, 1988)

C. Merlet (1994)

G.F. Bastin (1996)

� Caractéristiques de la technique EDS

• analyse élémentaire, qualitative, quantitative

• résolution spatiale ~ 1 µm3

• limite de détection 500 à 1000 ppm

• quantification par calculs (avec ou sans étalon)

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• précision < 1% at.

• cartographie

• ! analyse quantitative

- échantillon plan et poli

- métallisation carbone des échantillons non conducteurs

- volume poire interaction / tension, Z

matrice(Fe-40%Ni-25%Cr)

Acier inoxydableAcier inoxydable

32

carbures de niobium(précipités clairs)

T. Branza, F. Deschaux-Beaume

carbures de chrome(précipités sombres)

CrSE

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Fe Nb

Ammonite Ammonite pyriteusepyriteuse

34

Didier Cot

35

Didier Cot

Préparation des échantillonsPréparation des échantillons

� Echantillons massifs conducteurs

• découpe / dégraissage / séchage

• polissage (analyses)

� Echantillons massifs non conducteurs

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� Echantillons massifs non conducteurs

• métallisation Au, Pt, C

� Echantillons biologiques ou hydratés

• méthodes chimiques (fixation) ou physiques (congélation)

Microscopie électronique à balayageenvironnementale