Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)

L’EDS ou EDX est une technique d’analyse utilis´ee pour l’analyse ´el´ementaire ou la ca- ract´erisation chimique d’un ´echantillon. C’est une technique d’investigation de certaines sources de rayons X issues de l’interaction du faisceau d’´electrons avec l’´echantillon.

A - Principe g´en´eral

Le faisceau d’´electrons du TEM (200 KeV) irradie l’´echantillon, les ´electrons subissent alors plusieurs interactions avec le mat´eriau. Un ´electron issu du faisceau poss´edant une ´energie E0

suffisamment ´elev´ee va arracher un ´electron des niveaux ´electroniques profonds. Un ´electron appartenant aux couches sup´erieures va alors combler le “trou” en produisant un photon X. L’´energie ∆W = WX −WY lib´er´ee par une transition XY est directement ´emise sous forme

d’un photon d’´energie :

E = ∆W = hυ (2.22)

de fr´equence υ = ∆W/h et de longueur d’onde λ = (c ∗ h)/∆W . Il peut se produire alors deux types de d´esexcitations (voir Figure 2.28) : Dans le cas o`u un ´electron des couches K est arrach´e et qu’un ´electron de la couche L vienne combler l’´etat excit´e il se produit une desexcitation radiative suivi d’un rayonnement Kα d’´energie hυ. Si l’´etat excit´e est combl´e par un ´electron

de la couche L1, le rayonnement issu de cette recombinaison peut provoquer l’extraction d’un ´electron de la couche L3, ´electron Auger K L1L3 ce qui s’interpr`ete par une d´esexcitation non

radiative.

Figure_{2.28 – Sch´ema de formation des ´electrons secondaires, photons X et ´electrons Auger.} Il existe un autre type de rayonnement issu de l’interaction ´electron-mati`ere : le rayon- nement continu de freinage dit Bremsstrahlung. Ce rayonnement provient de la variation de vitesse des ´electrons d´evi´es par le champ ´electrique des noyaux atomiques. Les rayons X pro- venant de l’interaction entre le faisceau d’´electrons du microscope et le mat´eriau sont collect´es par un d´etecteur `a semiconducteur (voir figure 2.29).

On obtient alors un histogramme du nombre de coups en fonction de l’´energie ce qui est une repr´esentation num´erique des spectres des rayons X (voir figure 2.30). Ces spectres d’´energie sont issues de deux types de rayonnement : le rayonnement X issu de la d´esexcitation radiative d’´energie hυ et le rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung). A partir du spectre, il faut ensuite extraire le signal caract´eristique (pics identifi´es) de l’environnement non-caract´eristique (fond continu : Bremsstrahlung). Cette technique permet d’identifier toutes les raies Kα du

Figure_{2.29 – Sch´ema de l’appareillage EDS au sein d’un TEM.}

Figure_{2.30 – Spectre EDS - Les ´el´ements suivant sont pr´esents dans ce spectre : fer, Bismtuh,} Oxyg`ene et silicium.

Analyse quantitative La concentration d’un ´el´ement pr´esent dans l’´echantillon est propor- tionnelle `a l’intensit´e du signal issu du rayon X.

Il est difficile de mesurer une intensit´e “absolue”, il convient donc de comparer la valeur mesur´ee `a une r´ef´erence selon l’´equation de Castaing :

Ci

Cj

= KIi Ij

(2.23) o`u i correspond `a l’´echantillon et j `a la r´ef´erence. K est un facteur de sensibilit´e prenant en compte la diff´erence entre l’intensit´e du rayon X g´en´er´ee et mesur´ee `a la fois pour un compos´e r´ef´erence et un ´echantillon inconnu. Le facteur K est li´e `a trois contributions :

– Z le nombre atomique

– A l’absorption des rayons X dans l’´echantillon – F la fluorescence des rayons X dans l’´echantillon

Lorsque le volume de l’´echantillon est de l’ordre du massif cela n´ecessite une correction ZAF alors que dans le cas d’´echantillons minces (´echantillons typiquement utilis´es en TEM/EDS)

Lorimer ont d´emontr´e qu’une r´ef´erence n’est pas n´ecessaire d`es lors que les intensit´es de deux ´el´ements sont simultan´ement recueillies et compar´ees. En effet, le pourcentage massique de chaque ´el´ement analys´e est li´e `a l’intensit´e mesur´ee. Pour un syst`eme binaire cela donne :

´ equation de Cliff-Lorimer CA CB = KAB IA IB (2.24) KAB ´etant le facteur Cliff-Lorimer

CA+ CB= 100% (2.25)

On peut alors facilement ´etendre cette ´equation `a des syst`emes ternaires ou de plus grand ordre : CB CC = KBC IB IC (2.26) et CA+ CB+ CC = 100% (2.27)

Ainsi pour diff´erentes paires d’´el´ements AB, BC etc... le facteur K est reli´e par : KAB = KAC

KBC

(2.28) L’´equation de Cliff-Lorimer est la base de l’ analyse quantitative en EDS. Elle permet de quantifier les ´el´ements pr´esents dans un compos´e en terme de pourcentage atomique.

Dans le spectre EDS, il convient alors d’identifier les diff´erents pics caract´eristiques des ´el´ements et de soustraire le fond continu (Bremsstrahlung). La figure 2.31 pr´esente la m´ethode

Figure _{2.31 – Spectre EDS - Soustraction du fond continu.}

de soustraction du fond continu. L’int´egralit´e du pic d’intensit´e P est int´egr´ee de 5.0 `a 5.7 eV. Les aires B1 et B2 sont des fenˆetres prises dans le fond continu ; elles sont int´egr´ees sur 70

canaux de 10 eV soit respectivement de 4.1 `a 4.8 KeV et de 6.3 `a 7.0 KeV. Ainsi la moyenne de B1 et B2 donne Bmoy que l’on divise par le nombre de canaux (70) afin d’obtenir la va-

leur du fond continu pour un seul canal B(10 eV). On soustrait alors B(10eV) au spectre afin d’obtenir le signal caract´eristique. Les diff´erents pics sont alors d´econvolu´es afin d’identifier clairement les ´el´ements pr´esents dans l’´echantillon. Certains ´el´ements ont des ´energies de tran- sition assez proches ainsi certains pics intenses peuvent recouvrir des pics d’autres ´el´ements. La d´econvolution de ces pics est donc tr`es importante pour la quantification des ´el´ements. Une fois les pics caract´eristiques d´econvolu´es on obtient un pourcentage atomique de chaque ´el´ement pr´esent dans le compos´e.

Cartographie chimique par STEM-EDS L’alignement STEM permet, par balayage, de sonder des objets `a l’aide de nanosonde de 1 `a 5 nm ou plus. Le couplage STEM-EDS permet d’identifier un objet, d’acqu´erir une image STEM et de sonder cet objet tout en r´ecup´erant le signal X.

Lors du balayage un spectre EDS est enregistr´e pour chaque temps de pause. On obtient alors pour chaque pixel analys´e sur un temps de pause t un spectre EDX. La somme des pixels analys´es fournit ainsi une cartographie chimique de l’objet ´etudi´e. Pour caract´eriser un objet dans de parfaite condition, il faut faire un compromis entre le nombre de pixel analys´es, le temps de pause et la taille de la sonde. En g´en´eral on utilise un diaphragme condenseur de 100 ou 70 µm afin d’obtenir un maximum d’intensit´e. En effet le nombre de coups est tr`es important pour l’acquisition des spectres. Le faible volume actif d’´emission entraine des taux de comptage assez faibles. Il faut alors compenser par des temps de comptage assez longs. Lors de l’acquisition d’une cartographie chimique on utilise un correcteur de d´erive ce qui nous permet d’acqu´erir des spectres/cartographies chimiques pendant plusieurs minutes. On obtient

Figure_{2.32 – a) Image STEM d’une particule d’environs 120 nm - b) Cartographie chimique} du fer et du bismuth.

alors une cartographie chimique, o`u chaque ´el´ement pr´esent dans l’objet analys´e est identifi´e et surtout localis´e. Cette technique permet dans le cas de particules core shell de d´eterminer quel ´el´ement est situ´e au niveau du cœur ou de la coquille. Sur la figure 2.32, on observe une image STEM d’un objet ainsi que la cartographie chimique de cet objet. La cartographie permet de localiser du fer au sein de la particule et du bismuth dans la partie protub´erante de cette particule. On peut ´egalement quantifier localement chaque ´el´ement puisque chaque pixel correspond `a un spectre EDX. On peut alors obtenir une cartographie chimique quantifi´ee, permettant ainsi de localiser les ´el´ements majoritaires et minoritaires.

B - Conditions exp´erimentales

Les analyses de spectroscopies EDS ont ´et´e r´ealis´ees sur un Philips poss´edant un canon `a ´emission de champs fonctionnant `a 200 kV. Un syst`eme de d´etection EDS Bruker Quantax permet d’acqu´erir les spectres EDS ainsi que des cartographies chimiques.

Les diaphragmes condenseurs s´electionn´es sont le 100 et 70 µm avec une taille de sonde de 2.5 `

a 4 nm. Le porte objet est inclin´e de 20˚ dans le but d’orienter la surface de la grille du porte objet perpendiculairement `a l’axe du d´etecteur EDS. Le porte objet utilis´e lors des exp´eriences EDS est un porte objet constitu´e de berylium, la grille supportant l’´echantillon est une grille de cuivre. Les cartographies chimiques et spectres EDS ont ´et´e trait´es `a l’aide du logiciel Esprit. L’intensit´e ´emise par l’´el´ement est proportionnelle `a la concentration et `a l’´epaisseur de l’´echantillon. Par cons´equent les analyses quantitatives ont ´et´e effectu´ees en d´efinissant les coefficients Cliff-Lorimer ainsi que l’´epaisseur de l’objet ´etudi´e.

B - Traitements des donn´ees

Les spectres sont ensuite d´econvolu´es lorsqu’il y a des recouvrements de pics, c’est-`a-dire lorsqu’un pic sp´ecifique d’un ´el´ement A recouvre un pic sp´ecifique d’un ´el´ement B. Une fois la d´econvolution effectu´ee, le Bremstralung est ensuite extrait afin d’avoir une quantification optimale des ´el´ements pr´esents dans l’´echantillon.

Il faut toute fois appliquer une correction `a la quantification. Dans notre ´etude les ´echantillons comprennent g´en´eralement du fer, ´el´ement ´egalement compris dans les pi`eces polaires du micro- scope ´electronique (que le d´etecteur EDS d´etecte ´egalement).En effet, en spectroscopie EDS, une partie des photons collect´es sont cr´ees hors de la r´egion ´etudi´ee, soit par des ´electrons qui ont diffus´e sur des pi`eces polaires de l’objectif, soit par des ´electrons retrodiffus´es par ces pi`eces polaires vers les parties massives de l’objet, soit enfin par fluorescence induite par des rayons X cr´ees sur le diaphragme condenseur ou les pi`eces polaires. Pour tenter de les quan- tifier, des spectres EDS ont ´et´e enregistr´es sur un ´echantillon test ne comprenant ni de fer ni de cobalt (´el´ements compris dans les pi`eces polaires). La quantification obtenue nous a montr´e que l’on collecte syst´ematiquement des photons ´emis par les atomes de fer et de cobalt des pi`eces polaires en proportion ´egales. Autrement dit le d´etecteur EDS d´etecte autant de fer que de Cobalt provenant des pi`eces polaires.

Ainsi lorsque nous obtenons notre spectre EDS d’un ´echantillon comprenant du fer et pas de cobalt, nous pouvons d´eterminer le signal de fer correspondant aux pi`eces polaires.

Les cartographies chimiques sont repr´esent´ees en fonction de diff´erents param`etres : nombre de coups, pourcentage massique (o`u l’´el´ement le plus lourd aura une plus forte intensit´e) ou pourcentage atomique.