Imagerie et diffraction des électrons

Dans son mode le plus couramment utilisé, la TEM repose sur la diffraction des électrons. Lorsqu’un faisceau d’électrons traverse un échantillon cristallin, une partie du faisceau est transmise et une partie est diffractée par les plans cristallins. La Figure 3-3 (a) illustre une figure de diffraction d’une couche de GaP:MnP à l’axe de zone [110] du GaP. Dans cette image le

faisceau transmis, noté FT, est parallèle à la direction [110] du GaP. Les points observés sur l’image correspondent à la diffraction de plans cristallins ayant leur normale perpendiculaire à la direction [110] (i.e. dans le plan de l’image). En modifiant la configuration des lentilles électrostatiques, on peut obtenir pour une certaine région de l’échantillon le cliché de diffraction ou une image. Les contrastes obtenus en mode imagerie seront déterminés par les conditions de diffraction. Les intensités de l’image correspondent à la contribution de l’intensité provenant des faisceaux transmis et diffractés. À l’aide d’un diaphragme, on peut modifier cette contribution et ainsi modifier le contraste de l’image. Lorsque les faisceaux diffractés sont bloqués et que le faisceau transmis est libre de se rendre au détecteur, on obtient une image en fond clair, tel qu’illustré à la Figure 3-3 (b). Les régions sombres sont des régions où les électrons diffractent, tandis que les régions claires indiquent que les électrons sont transmis au détecteur. Dans le cas où tous les faisceaux sont bloqués à l’exception des faisceaux diffractés appartenant à un plan en particulier, on obtient une image en fond sombre tel qu’illustré à la Figure 3-3 (c). Ici les régions claires indiquent qu’il y a diffraction des électrons pour le plan cristallin sélectionné, et les régions sombres que les électrons sont transmis au détecteur ou diffractent dans une autre direction.

Figure 3-3 Explication des modes de diffraction et d’imagerie en TEM. (a) Cliché de diffraction selon l’axe de zone [110] du GaP d’un échantillon typique de GaP:MnP. La mention FT indique le faisceau transmis. (b) Image en fond clair selon l’axe de zone GaP[110] d’un échantillon de GaP:MnP. L’insertion dans le coin supérieur droit indique la condition de diffraction : un diaphragme bloque les faisceaux diffractés et seul le faisceau transmis atteint le détecteur. (c) Image en fond sombre selon l’axe de zone GaP[110] d’un échantillon de GaP:MnP. L’insertion dans le coin supérieur droit indique la condition de diffraction : un diaphragme bloque tous les faisceaux excepté un faisceau diffracté précis, en l’occurrence GaP( ̅ ).

La condition de diffraction 2f1g (deux faisceaux et un vecteur de diffraction) est une configuration de diffraction couramment utilisée pour obtenir différents contrastes. La Figure 3-4 est un exemple de configuration 2f1g : on y voit la figure de diffraction en (a) ainsi que l’image associée en (b). Dans cette configuration, on incline l’échantillon (i.e. les plans cristallins) afin d’obtenir un cliché de diffraction composé d’un seul faisceau diffracté (appartenant à un plan précis) et du faisceau transmis. La figure de diffraction devrait donc en théorie contenir deux faisceaux, dont l’un est un faisceau diffracté (i.e. un vecteur de diffraction g). En pratique, il est très difficile d’obtenir uniquement deux faisceaux : on observe donc fréquemment la diffraction des plans équivalents d’une même famille. Par exemple, sur la Figure 3-4(a) on observe les plans (0 ̅) et (0 ̅). Une image en fond clair est obtenue en insérant dans le plan de diffraction un diaphragme qui laisse passer le faisceau transmis mais bloque les faisceaux diffractés. Ainsi ce qui apparait sombre dans l’image provient principalement d’électrons diffractés sur des plans ayant un espacement interplanaire correspondant à GaP(0 ̅) et, dans une moindre mesure, à GaP(0 ̅). La condition de diffraction 2f1g permet d’obtenir les contrastes voulus.

Figure 3-4 Explication de la condition de diffraction 2f1g (a) Condition de diffraction 2f1g (deux faisceaux, un vecteur de diffraction g) pour le vecteur de diffraction associé au plan de GaP(0 ̅). Le faisceau transmis (FT) est bloqué au moment de la prise de photo, afin de limiter l’intensité sur le détecteur. (b) Image en fond clair pour la condition de diffraction illustrée en (a). Un diaphragme bloque les faisceaux diffractés, mais laisse passer le faisceau transmis.

La microscopie électronique en transmission permet aussi un mode d’imagerie en haute résolution (HR-TEM) où le contraste provient des différences de phase entre les ondes électroniques diffractées. Pour plus d’information sur ce mode d’imagerie et sur l’origine du contraste, nous invitons le lecteur à lire le chapitre 28 du livre de Williams et Carter [112]. En utilisant ce mode, on obtient des images en haute résolution atteignant des grossissements de l’ordre de 1 000 000X et rendant possible l’imagerie de la périodicité atomique. La Figure 3-5 (a) est un exemple d’une image haute résolution prise à l’axe de zone [110] du GaP. L’encadré est un agrandissement de la matrice de GaP révélant une structure périodique de contraste. L’analyse de cette structure permet de retrouver les espacements interplanaires de la région observée. En appliquant la transformée de Fourier sur la région agrandie, on obtient la figure de diffraction selon l’axe de zone [110] du GaP. Dans la présente thèse, les images à haute résolution ont été principalement utilisées pour obtenir de l’information sur l’orientation cristallographique des

agrégats et pour caractériser les facettes entre les agrégats et la matrice. La méthodologie détaillée pour ce genre d’analyse est expliquée à l’annexe 1.

Figure 3-5 Exemple d’image TEM haute résolution et frange de Moiré. (a) Image haute résolution d’un échantillon de GaP:MnP. L’agrandissement dans le coin supérieur droit montre la structure atomique du GaP. Les franges présentes dans les agrégats sont des franges de Moiré. (b) Configuration possible des franges de Moiré. Source : image adaptée de la Réf.[112] (Chapitre 23, p. 393)

La Figure 3-5 (a) montre aussi un autre phénomène d’interférence fréquemment observé sur des images haute résolution. On observe des franges, appelées franges de Moiré, aux endroits où des agrégats sont présents. Ces franges proviennent de la superposition de deux structures

cristallines différentes (ex. : un agrégat de MnP et la matrice de GaP). Dans l’image, chaque cristal va produire une figure de contraste périodique différent, et leur superposition va produire des franges dites de Moiré, tel qu’illustré à la Figure 3-5 (b). Les franges sont le résultat de l’interférence entre deux ensembles de plans cristallins. La figure des franges de Moiré est fonction de l’orientation relative des cristaux. Deux cristaux ayant des espacements interplanaires différents produisent une figure semblable au cas présenté à gauche sur la Figure 3-5 (b). Deux cristaux identiques (i.e ayant un même espacement interplanaire) et pivoté l’un pas rapport à l’autre produisent la figure du centre. Pour un cas mixte on observe la figure de droite (ex. : deux cristaux différents et pivoté l’un pas rapport à l’autre). L’observation qualitative des figures d’interférence permet d’obtenir certaines données intéressantes. Par exemple, si deux agrégats présentes une figure d’interférence de moiré identique, cela indique une orientation cristalline semblable. Ainsi, on peut supposer que les deux agrégats dans le haut de la Figure 3-5 sont de même nature et possèdent la même orientation cristallographique. Une explication détaillée des franges de Moiré et de la double diffraction est présentée à l’annexe 2.