Analyses de surface

Caractérisation d’une trace de fretting-corrosion par EDX

Les analyses chimiques de surface sont réalisées par MEB en utilisant la technique d’analyse EDX. Cette technique permet notamment d’analyser le spectre de rayonnement X issu de l’interaction entre le faisceau incident et les matériaux de la surface dans le but de les identifier. C’est par conséquent, une technique couramment utilisée dans l’étude des contacts électriques.

L’analyse EDX ne permet pas de doser avec une bonne résolution car la poire d’interaction mesure environ 5 µm. De plus, les rayonnements émis depuis les éléments légers ne possèdent pas une énergie susceptibles de leur permettre de provenir d’une couche au-delà d’un micromètre, voir figure 1.47. Aussi, l’analyse effectuée par un MEB est faussée, car les volumes sondés entre les éléments lourds (métaux de transition) et les éléments légers ne sont pas les mêmes. De plus, les rayonnements issus des éléments lourds perturbent les rayonnements des éléments légers. La composition de ces derniers est donc parfois très éloignée de la réalité. Par conséquent, le dosage d’éléments légers n’est pas possible par l’analyse EDX.

Figure^{1.47 – Graphique du rendement énergétique d’une analyse EDX en fonction du numéro atomique}

de l’élément considéré [54].

En résumé, l’analyse d’une zone de contact par la technique EDX permet d’une part de doser quantitativement les éléments lourds (étain, cuivre) et d’autre part d’observer qualitativement la présence des éléments légers (oxygène, carbone).

Caractérisation d’une trace de fretting corrosion par la micro-sonde nucléaire

La micro-sonde nucléaire est un dispositif expérimental situé au laboratoire de recherche IRAMIS à Saclay, voir figure 1.48 [55]. Ce dispositif permet notamment de générer un faisceau qui va permettre d’engendrer des interactions spécifiques avec les isotopes des éléments présents dans la zone d’interaction entre le rayon incident et la surface de l’échantillon afin de localiser, de quantifier et de sonder les éléments légers sur une surface. Pour cela, plusieurs types d’interactions se font entre le faisceau incident et le noyau de l’atome cible, d’où la dénomination de réaction nucléaire. Par conséquent, les quantifications obtenues à l’aide de la micro-sonde apporteront de nouvelles informations sur les proportions en éléments légers.

Dans le cadre de cette thèse, les éléments légers concernés sont l’oxygène (Z=8) et le carbone (Z=6). Ces éléments sont en lien respectif avec les oxydes et les impuretés.

Le faisceau est constitué par des deutérons (₂H). Ils sont injectés depuis une bouteille dans un accélérateur de particules de type Van-De-Graaff. Le faisceau est de forme elliptique dont la longueur et la largeur sont respectivement égales à 4 µmet 3µm. Il est possible d’analyser une surface de la taille du faisceau (1 pixel) ou une surface plus importante en reconstruisant un spectre général pixel par pixel. Dans ce dernier cas, une cartographie est obtenue.

Figure ^{1.48 – Photographies du dispositif expérimental de la micro-sonde nucléaire}

Son énergie a été fixée à 1430 keV. De ce fait, il est possible d’obtenir un spectre énergétique assez large pour différencier les interactions entre les éléments lourds et légers [56] [57]. Les détecteurs permettent de récupérer les rayons X et les rayons Gamma, voir figure 1.49.

Figure ^{1.49 – Schéma du dispositif expérimental de la micro-sonde nucléaire}

Les données expérimentales sont issues de trois interactions entre le faisceau et la matière. Ils permet-tront de détecter les éléments suivants : oxygène, carbone, étain et cuivre. Parmi les trois techniques d’analyse associées aux interactions, PIXE, RBS et NRA, nous allons indiquer quelques précisions :

La technique PIXE (Proton Induced X-ray Emission) est basée sur une interaction inélastique et électronique correspondant à une analyse EDX. Son principe est le suivant : un deutéron rentre en collision avec un électron situé dans une couche électronique interne d’un élément. Cet électron est alors éjecté puis remplacé par un autre électron d’une couche électronique de plus forte énergie. La relaxation énergétique produit un rayon X caractéristique de l’élément considéré. La résolution du détecteur de la microsonde est de l’ordre de 0,1 keV, il est donc possible de différentier chacune des raies caractéristiques d’un élément. Toutefois, cette technique permet de doser que les éléments lourds.

La technique RBS (Rutherford BackScattering) est basée sur le choc élastique entre la particule cible, dans notre cas le deutéron, et un noyau cible. Le deutéron perdra alors une fraction K (facteur cinématique inférieur à 1) de son énergie incidenteEincidente, voir équation 1.30. Cette interaction concerne donc tout les éléments.

E_mesure =KE_incident avec K61 (1.30)

Dans le cas de la NRA, le deutéron incident interagit avec le noyau de l’isotope présent dans l’échantillon. Il en résulte la génération d’une particule chargée et la création d’un nouveau noyau. Cette interactions ne concernent que les éléments considérés et tient compte de la rugosité de la surface.

La réaction entre l’isotope 16 de l’oxygène et le deutéron génère deux réactions nucléaires qui conduisent à deux pics ¹⁶₈ O(d, p0)¹⁷₈ O et¹⁶₈ O(d, p1)¹⁷₈ O sur le spectre. Le carbone génère seulement un pic identifié par ¹²₆ C(d, p0)¹³₆ C. La hauteur et la largeur d’un pic dépendent d’une part de la concentration et de la disposition des éléments et d’autre part des conditions expérimentales. On écrit alors ces réactions par les bilans suivants :

16

8 O+²₁H →¹⁷₈ O+¹₁H (1.31)

12

6 C+²₁H →¹³₆ C+¹₁H (1.32)

Le tableau 1.7 reprend les caractéristiques liées aux interactions RBS, NRA et DRX en lien avec les éléments cuivre, étain, oxygène et carbone. Ces données seront ensuite utilisées pour l’analyse des résultats.

Table^{1.7 – Caractéristiques énergétiques des éléments cuivre, étain, oxygène et carbone en lien avec les}

techniques des analyses RBS, NRA et PIXE.

Cuivre Étain Oxygène Carbone

RBS

Facteur cinématique K 0,8817 0,9349 -

-K×1430keV 1276 keV 1376 keV -

-NRA - - - - 16 8 O(d, p0)¹⁷₈ O 16 8 O(d, p1)¹⁷₈ O 12 6 C(d, p0)¹³₆ C - - - - A B C PIXE (DRX) [keV] Kα1 Kβ1 Lα1 Lβ1 Kα1 - Kα1 8,047 8,905 3,444 3,663 0,525 - 0,277

En résumé, les interactions nucléaires ont des interactions énergétiques de valeurs différentes des interactions électroniques. De ce fait, il est possible d’une part de les différentier et d’autre part de doser les éléments légers.