Acquisition des séries de projection

III.3.2.1 Choix des paramètres d’acquisition

Du point de vue expérimental, plusieurs paramètres expérimentaux doivent être définis avant de démarrer l’acquisition d’une série de projections : l’intensité du faisceau incident, le temps d’acquisition d’une image, l’amplitude de l’intervalle angulaire balayé et l’incrément angulaire. Si le choix des deux premiers paramètres est lié principalement à la résistance du matériau sous le faisceau électronique, comme évoqué précédemment, l’amplitude angulaire balayée est liée au positionnement sur la grille de l’objet choisi pour l’étude. L’intérêt serait de pouvoir profiter au maximum de la valeur maximale de l’amplitude angulaire (± 75°) imposée par la configuration du microscope et celle du porte échantillon spécifique à la tomographie électronique. Ceci implique que le nanofil choisi pour l’étude tomographique soit suffisamment isolé des autres objets de son voisinage et éloigné des bords de la grille pour ne pas avoir de recouvrement lors de l’inclinaison de l’objet. Il faut par ailleurs s’assurer que les objets qui remplissent ces conditions soient également représentatifs de l’échantillon analysé. Concernant le dernier paramètre, l’incrément angulaire, il doit être relativement faible afin d’éviter l’apparition d’artefacts de reconstruction dans le volume final ; il peut être constant d’un angle de tilt à l’autre ou variable selon le schéma de Saxton23

. Pour nos études, sachant que les objets présentent un risque de souffrir de dégâts d’irradiation, un incrément angulaire fixe de 2° est utilisé.

III.3.2.2 Acquisition des séries de projection

Une fois l’objet sélectionné en tenant compte des critères mentionnés ci-dessus, l’acquisition de la série de projections peut être démarrée. Elle est pilotée de façon semi-automatique entre les deux angles extrêmes fixés par l’utilisateur en utilisant le plug-in de tomographie implémenté dans le logiciel DigitalMicrograph. Rappelons que dans nos études, pour chaque nanofil sélectionné les images des séries de projection ont été enregistrées dans la plage angulaire ±70°, avec un pas de 2° et un temps d’acquisition de 1 s pour chaque image. Pour limiter l’importance des artefacts de reconstruction dans nos études tomographiques, nous avons choisi des nanofils dont l’axe était orienté le long de l’axe de tilt du porte-objet.

Un exemple d’images sélectionnées à différents angles d’inclinaison de l’objet lors de l’enregistrement de la série d’images est présenté sur la Figure 95. Elles correspondent à un nanofil représentatif de l’échantillon délithié jusqu’à 0,8 V. Sur ces images à 2D, la SEI est clairement identifiable grâce à la différence de contraste par rapport au reste du nanofil. On peut alors remarquer une différence de morphologie selon l’angle d’observation, et notamment une différence d’épaisseur de la SEI, ce qui souligne qu’elle n’est pas répartie de façon homogène autour du nanofil. Il faut noter que sur les seules images à deux dimensions, aucune différence notable n’est observée entre les trois échantillons étudiés.

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Saxton W.O, Baumeister W., Hahn, M., Three-dimensional reconstruction of imperfect two-dimensional crystals. Ultramicroscopy, 13, 57-70 (1984).

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Figure 95 : Images MET d’un même nanofil de silicium enregistrées à différents angles d’inclinaison de la grille au cours de l’acquisition d’une série

Afin de s’assurer que c’est bien de la SEI qu’on observe par différence de contraste autour des nanofils, des analyses chimiques ont été effectuées par microscopie analytique, technique basée sur la spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) en utilisant le mode d’imagerie filtrée décrite dans le chapitre 2. Les éléments d’intérêt sélectionnés pour cette analyse sont le silicium, avec le seuil d’ionisation K = 99 eV, le carbone, avec le seuil d’ionisation K = 284 eV et l’oxygène, avec le seuil d’ionisation K = 532 eV. Le carbone et l’oxygène sont en effet présents dans la SEI mais pas dans le matériau actif donc leur présence est un marqueur de la présence de la SEI. Un exemple typique est illustré sur la Figure 96, avec tout d’abord l’image MET du nanofil sur la gauche, puis les projections élémentaires du carbone et de l’oxygène pour ce même nanofil. En analysant individuellement chaque projection élémentaire, la distribution de ces deux éléments tout au long du nanofil peut être révélée, ce qui démontre la présence de la SEI autour du nanofil. Par ailleurs des observations sous faisceau électronique intense ont déjà été effectuées précédemment (cf. Figure 66c) et nous montrent qu’une dégradation de la SEI serait clairement visible sur les images MET.

Figure 96 : Analyse chimique d’un nanofil de silicium délithié en mode imagerie filtrée (EFTEM). Image ZL (a) et cartographies chimiques 2D pour le carbone (b) et l’oxygène (c).

III.3.2.3 Tenue des échantillons sous faisceau électronique

Comme cela a été évoqué auparavant, la dose d’électrons utilisée pour l’acquisition des séries d’images représente un paramètre essentiel et dépend de l’intensité du rayonnement incident et du temps d’exposition. Dans nos études tomographiques, un faisceau électronique très étalé est utilisé afin de minimiser la dose d’électrons et d’obtenir des images exploitables. Deux images d’un même nanofil, représentées sur la Figure 97, ont été enregistrées au même angle de tilt (0°), au tout début et à la fin de l’acquisition de la série de projection. Aucune modification de la morphologie n’est observée

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après les 40 minutes d’acquisition donc on peut dire qu’il n’y a pas eu de dégradation significative de l’échantillon sous le faisceau électronique. La même vérification a été effectuée sur tous les nanofils étudiés en 3D.

Figure 97 : Nanofil de silicium issu de l’échantillon 1, après 3 cycles de lithiation/délithiation face à Li dans EC-DMC + LiPF6 1M + FEC 5wt% entre 20 mV et 2 V. (a) Avant l’acquisition de la série

d’images et (b) après l’acquisition.