Chapitre II : Outils d’élaboration et techniques de caractérisation
B) La microscopie électronique à balayage (ME
1) Principe de fonctionnement
La microscopie (ou microscope) électronique à balayage (MEB) permet d’obtenir des images monochromes de divers éléments. L’instrument a été créé dans les années 1930 par les allemands M. Knoll et M. von Ardenne. Puis il fut développé dans les années 1960 par l’anglais C. Oatley de l’université de Cambridge. La résolution de l’imagerie peut atteindre environ 10 nm. Le MEB balaie la surface d’un échantillon, sous vide secondaire, avec un
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faisceau d’électrons dits primaires qui interagissent avec l’échantillon en émettant divers types d’électrons, qui sont principalement:
_électrons secondaires : d’énergie assez faible, (50 eV), ils sont émis près de la surface (~10 nm). Ils permettent principalement une vue topographique de l’échantillon. Ces électrons sont observés en mode dit SE2.
_électrons rétrodiffusés : d’assez haute énergie (~30 keV). Ils sont très sensibles au numéro atomique de l’atome, permettant de mesurer l’homogénéité chimique d’un échantillon. Généralement une zone plus claire indique une phase avec un numéro atomique plus élevé. Ils sont observés en mode ESB (Electron Back Scattering). Un autres mode, appelé InLens, permet de détecter à la fois les électrons secondaires et ceux rétrodiffusés, couplant les deux visions précédentes.
Il existe également une émission photonique X lorsque les électrons primaires, de hautes énergies (15 à 20 kV) ionisent des atomes. Ces rayons X permettent de caractériser la nature chimique des atomes par EDX (Energy dispersive X-ray). Cette mesure ne permet pas une quantification absolument précise de la stœchiométrie de l’échantillon (incertitude absolue de trois pourcents), mais permet de connaitre la stœchiométrie relative de ceux-ci (incertitude relative égale ou inférieur à 0,5%) et donc de connaître l’évolution de la composition en fonction du processus d’élaboration. Les atomes légers (oxygène, carbone etc…) sont difficilement quantifiables par cette méthode, cependant, l’utilisation d’une faible puissance permet de montrer une tendance. La microscopie de Castaing, également utilisée durant cette thèse, est spécialement dédiée aux analyses EDX. Les acquisitions en EDX sont réalisées sans standard, avec des puissances du faisceau variant de 15, 17 et 20 kV. Pour chaque puissance, trois mesures sont effectuées à différents grandissements, afin de vérifier l’homogénéité du film. Une acquisition dure environs trois minutes.
L’utilisation d’un faisceau d’électrons induit une ionisation des atomes. Par conséquent si l’échantillon analysé n’est pas suffisamment conducteur ou est isolé de son support, des effets de charge apparaitront, diminuant la résolution du MEB. Les films ont été étudiés en les collant sur un plot métallique avec du scotch-carbone conducteur électrique. Dans certains cas, des films libérés ont été collés à la laque argent. L’étude des tranches des dépôts a été réalisée en maintenant ceux-ci dans un mini étau constitué d’un ressort.
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2) Identification de l’orientation avec un EBSD
La diffraction d'électrons rétrodiffusés créés par le faisceau d'électrons primaire du MEB permet d'analyser l'orientation d'un échantillon par la méthode de l'EBSD (pour Electron BackScatter Diffraction). Ce détecteur est constitué d'au moins un écran phosphorescent, un objectif compact et une caméra CCD à faible lumière. Ces électrons sont diffractés de manière incohérente mais pas inélastique. Ils vont donc suivre la loi de Bragg grâce à la dualité onde-particule de l’électron. Une structure donnée conduira donc à une diffraction particulière. Cette diffraction est représentée sous forme de bandes appelées lignes ou bandes de Kikuchi (voir Figure 2.38). La diffraction ainsi obtenue permet d’étudier la texture mais également les défauts, les joints de grains et de vérifier l'identification d'une phase.
Figure 2.38: Principe de l'EBSD. a): à l’intérieur du MEB, le faisceau incident (e-) vient balayer l'échantillon (specimen) avec un angle de 70°. Les électrons sont rétrodiffusés de manière ordonnée, suivant la loi de Bragg, par la structure cristalline de l’échantillon (diffracting planes). Ils suivent alors une direction particulière (Diffraction Cone) et forment alors, suivant la projection stéréographique de l’orientation du cristal, les bandes de Kikuchi, sur l’écran (Phosphorus Screen) que l’on voit en b). Images tirées d'Oxford Instrument.
Ainsi l'épaisseur et l'agencement de ces bandes (position et angles entre elles) nous permet de connaître l'orientation exacte du cristal grâce à l'étude des projections stéréographiques (modèle géométrique représentant différentes directions d'un cristal sur un cercle). Pour effectuer cette mesure, l'échantillon doit être le plus plat possible pour pouvoir connaître l'angle que fait celui-ci avec le détecteur. Nos échantillons ne sont pas polis car ils sont trop fragiles mais ils sont tout de même suffisamment plats, notamment au centre des grains. En revanche les joints de grains forment un affaissement qui pourra perturber les mesures.
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L’échantillon est incliné de 70° par rapport au faisceau incident du MEB, afin de faire face à l'écran de détection, qui est rapproché à quelques millimètres de l'échantillon (voir Figure 2.38).
La principale difficulté de cette méthode, dans le cas de notre étude, réside dans la nécessité de connaître la structure du cristal diffractant. En effet le logiciel « tango » utilisé ne permet pas d'identifier la structure depuis les lignes de Kikuchi diffractées mais uniquement de connaître l'orientation du cristal si l’on connaît sa structure. L’austénite peut se trouver sous forme cristalline et donc sa structure est facilement identifiable depuis les diagrammes à rayons X mais également les nombreuse données de la littérature. La phase martensitique est beaucoup plus difficilement identifiable, car elle se trouve difficilement sous forme monocristalline et possède des modulations de structure plus ou moins complexes. Par conséquent, la littérature donne de multiples versions de martensite 10M et 14M. De plus, peu de ces pics apparaissent sur les diagrammes en rayons X, car sa structure est de symétrie moindre que celle de l'austénite.
L’obtention d’une image de 10 000 µm² avec une résolution de 0,25 µm² dure une vingtaine de minutes. L’acquisition est ciblée sur une zone peu maclée afin d’imager préférentiellement de l’austénite.