Mesures de sonde atomique tomographique

Bien que des caractérisations par Microscopie Electronique par Transmission (MET) aient été effectuées [Dup-09b] sur des échantillons du type de ceux étudiés dans ce travail, peu de résultats expérimentaux quantitatifs ont été obtenus concernant la distribution précise des atomes de Fe au sein de ce type d’échantillons. En effet la méthode utilisée (MET) ne permet pas un dénombrement précis des différentes espèces de Fe présentes dans la matrice hôte (dans les nanoparticules, dilués dans la matrice), car les images MET souffrent toujours de l’effet de projection de la tranche étudiée (e~100 nm). δ’utilisation de la SAT nous a permis d’étudier quantitativement la distribution 3D des atomes de Fe implantés dans le semi-conducteur SiC. Nous présentons ici les premiers résultats obtenus à notre connaissance par analyse SAT sur le système SiC implanté Fe.

I.1. Spectre de masse

Toutes les analyses effectuées en SAT ont été réalisées à 80 K en utilisant une sonde laser femtoseconde, le FlexTAP (Flexible Tomographic Atom Probe) ou le LAWATAP (Laser Assisted Wide Angle Tomographic Atom Probe) avec une longueur d’onde  = 342 nm. Le système d’impulsions laser utilisé est un laser dopé à l’ytterbium de chez Amplitude System dont la durée d’impulsion est de γ50 fs. δa puissance laser utilisée a été de 18 nJ. δe spectre de masse typique obtenu lors de l’analyse des substrats de SiC implantés au Fe est présenté à lafigure 3-1.

CHAPITRE 3 Caractérisation structurale et chimique du 6H-SiC implanté Fe

- 58 -

FIGURE 3- 1 : Spectre de masse obtenu lors de l’analyse du SiC implanté au Fe

Toutes les espèces constitutives du matériau sont identifiées et indexées en fonction du rapport masse/charge, exprimé en unité de masse atomique (uma). Le spectre de masse montre que dans les conditions expérimentales utilisées, le silicium apparaît ionisé majoritairement deux fois (3 pics de Si²⁺ en 14, 14,5 et 15 uma). Le carbone apparaît chargé une fois (C⁺ en 12 et 13 uma) et deux fois (C²⁺ en 6 et 6,5 uma). Le fer est ionisé 2 fois Fe²⁺ (28 et 28,5 uma). Comme on peut le voir sur le spectre, certaines espèces chimiques apparaissent sous forme d’ions moléculaires (C3)²⁺, (C2)⁺, (SiC2)²⁺, (C3)⁺. Un récapitulatif des espèces détectées lors de l’analyse du SiC implanté au Fe est donné dans le tableau 3-1

M/n (Si) M/n (C) M/n (C3) M/n (C2) M/n (SiC2) M/n (Fe)

Chargé 1+ - 12/13 36/37 24/25 - -

Chargé 2+ 14/14,5/15 ^{6/6,5 18/18,5 - 26 28/28,5}

Chargé 3+ 9,3/9,7/10 - - - - -

TABLEAU 3- 1 : Rapport masse/charge (uma) des espèces détectées lors de l’analyse du SiC implanté au Fe.

La puissance laser utilisée nous a permis d’obtenir un résultat d’analyse correspondant aux pourcentages stœchiométriques du matériau de départ (SiC, 50%-50%) et de privilégier

- 59 -

l’émission de Si sous la charge (2+) (3 isotopes Si2+ émis à 14, 14,5 et 15 uma (unité de masse atomique)) afin de bien dissocier l’ion Si+de l’ion Fe2+ qui sont émis tous les deux à 28 uma.

I.2. Reconstruction en 3 dimensions

Les reconstructions en 3D des analyses en SAT des échantillons révèlent la présence de nanoparticules de taille nanométrique riches en Fe au sein de la matrice (Figure 3-2). Ce type de reconstruction en γD va nous permettre de caractériser pour chaque échantillon l’évolution de sa structure, en particulier l’évolution structurale des nanoparticules riches en Fe (taille, nombre, phase) en fonction de la concentration locale en Fe et des températures de recuit. On détermine pour cela les concentrations en Fe, Si et C de la matrice, des nanoparticules et des cœurs des nanoparticules. τn va déduire de ces mesures, la distribution de tailles des nanoparticules, leur taille moyenne, leur fraction volumique et proposer pour chaque nanoparticule la nature de la phase présente à cœur. Ceci sera ensuite corrélé aux résultats des propriétés magnétiques.

δ’échantillon recuit à 1γ00°C sera notre échantillon de référence. δe traitement des données employé pour cet échantillon sera systématiquement utilisé pour tous les autres échantillons. La figure 3-2 présente une reconstruction 3D des échantillons, non recuit, recuit à 900°C et recuit à 1300°C où les nanoparticules de Fe apparaissent en bleu dans la matrice de SiC en rouge.

CHAPITRE 3 Caractérisation structurale et chimique du 6H-SiC implanté Fe

- 60 -

FIGURE 3- 2 : Reconstruction 3D des échantillons a) non recuit, b) recuit à 900°C et c) recuit à 1300°C de volumes (35 35 69nm  3). Les nanoparticules de Fe apparaissent en bleu dans la matrice de SiC en rouge.

On peut remarquer sur cette représentation que lorsque la température de recuit augmente la densité atomique et la taille moyenne des nanoparticules augmentent, par contre le nombre de nanoparticules diminue. τn va donc s’intéresser dans le paragraphe suivant à la séparation des nanoparticules de la matrice et à leur étude.

- 61 -

I.3. Identification des nanoparticules : séparation matrice/nanoparticules

La séparation des atomes, entre ceux qui appartiennent à la matrice et aux nanoparticules (séparation matrice/nanoparticule), est obtenue grâce à un sous-programme d’identification des nanoparticules du logiciel de reconstruction γD. τn fixe tout d’abord un seuil minimal de concentration de l’espèce dont on veut déterminer les nanoparticules (ici Fe). τn choisit ensuite le rayon r d’une sphère à l’intérieur de laquelle les concentrations en atomes des différentes espèces sont mesurées. Chaque atome du volume est ensuite analysé. Un atome A quelconque du volume appartient à une nanoparticule si la concentration de l’élément choisi (dans notre cas Fe) dans la sphère est supérieure à la concentration seuil choisie. Cette méthode est appliquée à tous les atomes du volume analysé. Les paramètres utilisés pour séparer les nanoparticules de la matrice sont ajustables. Dans notre cas le seuil de la concentration atomique en Fe et le rayon de la sphère ont été fixés respectivement à 20 % et 1 nm. Le seuil de 20 at.% permet de distinguer toutes les nanoparticules et de les séparer individuellement.

Une fois la séparation matrice/nanoparticule effectuée, il est possible d’étudier individuellement chaque nanoparticule et de connaître pour chacune d’elle le nombre d’atomes de Fe, Si et C. Il est également possible de déduire certaines grandeurs comme la densité, la distribution de taille ou la fraction volumique. C’est ce qui est fait au paragraphe suivant pour l’échantillon de référence.