Spectroscopie de photoélectron induit par RX

Licence professionnelle

Septembre 2007

Introduction

• ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), ou XPS (X ray Photoelectron Spectroscopy) «ou bien induced photoelectron »

• Une des trois principales techniques d’analyse de surfaces, les deux autres étant la spectroscopie des électrons Auger (AES) et la spectrométrie d’émission ionique secondaire ou SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry).

Principe de L’XPS

• 1. Particularités de l’ESCA. Comparaison avec les autres techniques de surface.

• En général, c’est la première des techniques à mettre en oeuvre pour aborder la résolution d’un problème de surface. La méthode permet la détection de tous les éléments, à l’exception de l’hélium et surtout malheureusement de l’hydrogène; en effet ces éléments ne disposent pas de niveaux de coeur spécifiques.

Principe de L’XPS

Principe de L’XPS

Principe de L’XPS

• Principe de la méthode : le spectre ESCA(XPS): L’ESCA est basée sur la mesure de l’énergie cinétique des photoélectrons éjectés de l’échantillon sous l’impact de rayons X d’énergie h connue et de l’ordre du keV. Le spectre en énergie des photoélectrons comporte des raies dont l’interprétation permet une analyse chimique de l’échantillon.

• La figure 1 présente un exemple de spectre ESCA enregistré sur une échelle d’énergie très étendue : 1 000 eV; le composé concerné est un polymère, le fluorure de polyvinylidène (PVDF - polyvinylidene fluoride) de motif monomérique –(CH2–CF2)n

Principe de L’XPS

Principe de L’XPS

• Effet photoélectrique• Le principe à la base de la spectroscopie ESCA est

l’effet photoélectrique, un des processus de l’interaction des photons avec les électrons atomiques, mis en évidence par Hertz (1887) et interprété par Einstein (1935).

• Si la majorité des photons X traversant un échantillon n’interagissent pas avec les atomes le constituant, une partie de ces photons est cependant absorbée selon la loi de Beer Lambert: Ix = I0exp(-ux)

• avec I0 et Ix intensités respectivement des faisceaux incident et transmis, x épaisseur traversée, u coefficient d’absorption linéaire des photons dans le matériau.

Principe de L’XPS

• Raies ESCA:Nomenclature : orbitales atomiques

Principe de L’XPS

Principe de L’XPS

• Énergies de liaison: définition des énergies de liaison

• Le principe de la conservation de l’énergie de l’effet photoélectrique stipule que l’énergie h des photons incidents se répartit entre Ei , l’énergie d’ionisation correspondant à l’éjection d’un électron d’une orbitale de coeur de l’atome et Ecin, l’énergie cinétique communiquée au photoélectron émis :

Principe de L’XPS

• L’énergie d’excitation h étant connue, la mesure de l’énergie cinétique Ecin des photoélectrons permet de déterminer Ei qui est caractéristique de l’atome et de l’orbitale de coeur concernés comme le montre le tableau 3. L’énergie d’ionisation Ei est en fait appelée aussi énergie de liaison EL de l’électron.

Principe de L’XPS

Instrumentation

• Source de rayonnement X

• Les mesures ESCA peuvent être effectuées avec trois types de sources X : les tubes à rayons X classiques sans monochromateur, ceux donnant une raie X monochromatique (en général la raie Al K) et le rayonnement synchrotron avec monochromateur.

• Tube à rayons X non monochromatiques

Instrumentation

Instrumentation• Raie X monochromatique• Les appareils modernes présentent tous, soit en configuration standard soit

en option, l’utilisation d’un monochromateur sur la source d’excitation X. En ce cas, la radiation d’excitation concernée est toujours la raie Al K12. Les monochromateurs X sont basés sur la diffraction de Bragg des photons. Le faisceau polychromatique X est reçu sur une lame cristalline taillée parallèlement à une famille de plans réticulaires et seules sont réfléchies les longueurs d’onde qui remplissent la condition de réflexion sélective ou condition de Bragg:

2dsin = n • Avec: angle d’incidence du faisceau X par rapport au

plan réticulaire de la surface du cristal,• d distance entre deux plans réticulaires successifs,• longueur d’onde spécifique réfléchie,• n nombre entier : 1, 2, 3… représentant l’ordre de

diffraction.

Instrumentation