La Spectroscopie de R´etrodiffusion de Rutherford (RBS)

La spectroscopie de r´etrodiffusion de Rutherford (Rutherford Backscattering Spectro-scopy, RBS) est une m´ethode d’analyse ´el´ementaire non-destructive particuli`erement bien adapt´ee pour l’´etude des couches minces. Elle permet un dosage simultan´e de tous les

´el´ements pr´esents dans la couche. Cette technique est bien adapt´ee `a l’analyse d’´el´ements lourds ; pour ´etudier des ´el´ements l´egers comme par exemple le lithium, le carbone, l’azote ou l’oxyg`ene, d’autres m´ethodes nucl´eaires comme l’analyse par r´eaction nucl´eaire (NRA) sont plus pertinentes.

II.2.1.1 Le principe de la spectroscopie RBS

La spectroscopie de r´etrodiffusion de Rutherford est une m´ethode quantitative qui per-met d’identifier et de doser les diff´erents ´el´ements constituant une couche mince, sur une ´epaisseur de plusieurs centaines d’Angstr¨oms. Elle consiste `a bombarder un mat´eriau par un faisceau de particules de haute ´energie (de 1 `a 5 MeV), g´en´er´e dans le cas pr´esent par un acc´el´erateur Van de Graaf, et de mesurer ensuite les ´energies des par-ticules r´etrodiffus´ees. Les parpar-ticules incidentes sont r´etrodiffus´ees par choc ´elastique avec les atomes de la couche ; leur ´energie et leur direction sont alors modifi´ees. En mesurant l’´energie des particules r´etrodiffus´ees, il est possible d’en d´eduire la nature de l’´el´ement sond´e ainsi que la composition et l’´epaisseur de la couche ´etudi´ee. Le principe de la spec-troscopie RBS est repr´esent´e sur la Figure II.4. Le spectre ainsi obtenu donne pour chaque

´el´ement d´etect´e un pic dont la largeur est proportionnelle `a l’´epaisseur x de la couche et dont l’aire est proportionnelle au nombre d’atomes d´etect´es par unit´e de surface N.

Les trois param`etres les plus importants pour la spectroscopie de r´etrodiffusion de Ru-therford sont le facteur cin´ematiqueK, la perte d’´energie∆E et l’aire du pic A. En effet, ces trois valeurs permettent de d´eterminer la nature de l’´el´ement sond´e, l’´epaisseur x de

II.2. Les m´ethodes de caract´erisation

Fig. II.4 – a) Principe de la spectroscopie de r´etrodiffusion de Rutherford. E0

correspond `a l’´energie des particules incidentes avant la collision, E1 est l’´energie des ions r´etrodiffus´es `a la surface de la couche mince et E2 correspond `a l’´energie des ions

r´etrodiffus´es apr`es avoir parcouru l’´epaisseur x de la couche mince. b) Spectre RBS th´eorique d’une couche mince constitu´ee d’un seul ´el´ement.

Le facteur cin´ematique K

L’´energie d’un ion r´etrodiffus´e apr`es la collision (E1) est proportionnelle `a l’´energie de cet ion avant la collision (E0) :

E1 =K·E0 (II.1)

La d´etermination du facteur cin´ematique K suppose que la collision entre les ions et les atomes de la couche mince soit ´elastique. Quand un ion incident⁴He⁺, de masse M1 et de

vitesse constante, subit une collision avec un atome immobile de masse M2, son ´energie est transf´er´ee `a l’atome immobile. La collision est suppos´ee ´elastique si l’ion incident poss`ede une ´energie tr`es sup´erieure aux ´energies des liaisons covalentes qui existent entre les atomes de la couche, et si les r´eactions nucl´eaires et r´esonnantes sont absentes. Le facteur cin´ematique K est donn´e par la relation suivante :

K = E1

K d´epend donc des masses des deux particules qui entrent en collision et de l’angle de r´etrodiffusion θ. La connaissance de la masse M1 des ions ⁴He⁺ et des ´energies E0 et E1

permet la d´etermination de la valeur de masse M2 des atomes de la couche et ainsi la nature de l’´el´ement sond´e.

La perte d’´energie ∆E

L’ion r´etrodiffus´e `a la surface de la couche poss`ede une ´energie E1, E2 est l’´energie de l’ion r´etrodiffus´e `a la surface du substrat apr`es avoir parcouru l’´epaisseur x de la couche. Le spectre RBS donne pour chaque ´el´ement un pic qui est caract´eris´e par une perte d’´energie.

Cette perte d’´energie est donn´ee par la relation suivante :

△E=E1−E2 =KE0−E2 =ε·N ·x (II.3)

N est le nombre d’atomes par unit´e de surface etε est le facteur de section efficace d’arrˆet.

ε est reli´e `a l’angle θ1, form´e par le faisceau d’ions incidents et la normale `a la couche, et `a l’angle θ2, form´e par la normale `a la couche et le faisceau r´etrodiffus´e. Le facteur de section efficace d’arrˆet ε est donn´e par la relation suivante :

ε= 1

dx|ⁱⁿ repr´esente l’´energie perdue lorsque les ions traversent vers l’int´erieur de la couche,

dE

dx|^out repr´esente l’´energie perdue lorsque les ions traversent la couche vers l’ext´erieur.

Connaissant la perte d’´energie△E et le facteur de section efficace d’arrˆet, on peut d´eterminer l’´epaisseur x de la couche.

II.2. Les m´ethodes de caract´erisation L’aire du pic A

Pour chaque ´el´ement, l’aire du pic A est reli´ee au nombre N d’atomes par unit´e de surface par la relation suivante :

A=σ·Ω·Q·N ·x (II.5)

σest la section efficace,Ωest l’angle solide sous-tendu par le d´etecteur, et Q est le nombre d’ions incidents frappant la couche. Connaissant le nombre d’atomes N par unit´e de sur-face pour les diff´erents ´el´ements de la couche, il est possible de d´eterminer la composition de la couche. Le rapport atomique est proportionnel au rapport des aires des pics :

NA

NAest le nombre d’atomes de l’´el´ement A par unit´e de surface, NB est le nombre d’atomes de l’´el´ement B par unit´e de surface, AA est l’aire du pic de l’´el´ement A et AB est l’aire du pic de l’´el´ement B.

II.2.1.2 Les conditions exp´erimentales

Le faisceau utilis´e est constitu´e d’ions ⁴He⁺ d’une ´energie de 2 MeV, afin de rester dans le domaine ´energ´etique o`u le mod`ele de Rutherford est applicable. Le courant de faisceau est de l’ordre de 30nAet la charge d’acquisition est de 30 `a 40 µC; ces conditions permettent d’obtenir une bonne r´esolution des pics. Les ´echantillons ont ´et´e plac´es dans une chambre d’analyse sous ultravide. Le d´etecteur de 25 mm<sup>2</sup> a ´et´e plac´e `a 100 mm de l’´echantillon `a analyser et `a un angle de 15˚par rapport au faisceau incident. Avant chaque s´erie d’exp´eriences, une calibration a ´et´e r´ealis´ee avec trois ´etalons (carbone, silicium et or d´epos´e sur silicium) dont les facteurs cin´ematiques sont bien connus. Cette calibration permet d’´etablir la relation canal du d´etecteur/´energie. Les exp´eriences ont ´et´e effectu´ees sur des couches minces d´epos´ees sur un substrat de carbone vitreux, l’´epaisseur du d´epˆot

´etant de l’ordre de 100 nm. La d´etermination quantitative de la composition des couches minces ´etudi´ees a ´et´e r´ealis´ee `a l’aide du logiciel RUMP [144].

Des spectres RBS obtenus pour des couches minces de V2O5 dop´e `a l’argent seront pr´esent´es dans le chapitre IV.3.1.1.

II.2.2 La Spectroscopie Photo´ electronique ` a Rayonnement X