Microscopie électronique à balayage (MEB)

Bilan énergétique

Figure 4.15 Principe de fonctionnement de la spectroscopie de photoélectron X.

La profondeur d’analyse dans le cas des polymères est de l’ordre de 7 nm, correspondant à un parcours moyen des électrons de 2,4 nm.[110] Des analyses de XPS ont été effec-tuées afin d’étudier la pureté ainsi que la composition des polymères synthétisés. En effet la présence d’impuretés dans ces polymères se manifeste par une variation du rap-port N/C ou par la variation du raprap-port O/C/N dans le cas des polymères contenant des atomes d’oxygène.

Protocole expérimental : Un spectromètre Kratos Axis Ultra a été utilisé pour évaluer la

concentration atomique présente sur la surface fonctionnalisée à partir de l’intégrale de

chaque pic élémentaire. Trois mesures sont réalisées pour chaque échantillon en trois points différents.

4.9 Microscopie électronique à balayage (MEB)

Le microscope électronique à balayage permet d’obtenir des images de surfaces de

pratiquement tous les matériaux solides, à des échelles allant de celle de la loupe (x10) à

celle du microscope électronique en transmission (x500.000 ou plus).

Le fonctionnement du microscope est basé sur l’émission d’électrons produits par une cathode et la détection de signaux provenant de l’interaction de ces électrons avec l’échantillon. Ces électrons qui irradient la surface de l’échantillon pénètrent

profondément dans le matériau et affectent un volume appelé « poire d’interaction ». Le volume de cette poire dépend du numéro atomique moyen de l’échantillon et de l’énergie des électrons incidents. Dans ce volume d’interaction, les électrons du faisceau perdent leur énergie par collisions multiples avec les atomes du matériau générant ainsi de nombreux phénomènes secondaires. Ces phénomènes incluent la réémission d’électrons et de photons, l’absorption d’électrons, les courants induits, les potentiels électriques, l’élévation de température locale et la vibration du réseau.

La Figure 4.16 illustre l’ensemble des radiations pouvant être émises lors de l’interaction entre le faisceau d’électrons et l’échantillon. Toutes ces radiations sont produites simultanément et rendent possibles à la fois l’observation et l’analyse d’un objet choisi.

Figure 4.16 L’ensemble des radiations pouvant être émises lors de l’interaction entre le faisceau d’électrons et l’échantillon dans le MEB.

L’image en MEB est formée de manière séquentielle en balayant la surface de l’échantillon et en recueillant les particules émises. Suivant le type d’électrons détectés,

informations peuvent être complémentaires. Le MEB possède trois détecteurs : un détecteur d’électrons secondaires, un détecteur d’électrons rétrodiffusés et un détecteur de rayons X. Les deux détecteurs décrits dans ce manuscrit sont les détecteurs d’électrons secondaires et de rayons X.

Le détecteur des électrons secondaires ou détecteur Everhart-Thornley[111] est utilisé dans le mode classique d’observation de la morphologie de la surface d’un échantillon. Les électrons secondaires captés proviennent d’un volume étroit (la zone de réémission correspond approximativement à la taille du faisceau, dont le diamètre est d’environ 10 nm). Une grille placée devant le détecteur d’électrons, polarisée positivement (200-400 V), attire les électrons. De cette manière, la majorité des électrons secondaires sont détectés alors que les électrons rétrodiffusés, qui ont une énergie plus élevée, ne sont quasiment pas déviés par le champ électrique produit par la grille du collecteur. La quantité d’électrons secondaires produite ne dépend pas de la nature chimique de l’échantillon, mais de l’angle d’incidence du faisceau primaire sur la surface : plus l’incidence est rasante, plus le volume excité est grand, donc plus la production d’électrons secondaires est importante, d’où un effet de contraste topographique.

Lorsque le microscope électronique à balayage (MEB) est couplé à une spectroscopie des rayons X dispersive en énergie X (EDS), il est possible d’avoir accès à la composition chimique du matériau par analyse élémentaire.

4.9.1 La microscopie électronique à balayage couplée à la microanalyse X (MEB-EDS)

L’analyse élémentaire par microsonde EDS consiste à bombarder un échantillon avec des électrons et à analyser le spectre des rayons X émis par l’échantillon. Le détecteur est alors un semi-conducteur qui produit des pics de tension proportionnels à l’énergie du photon. De la sorte, les transitions radiatives propres à chaque élément peuvent être identifiées par des pics sur le spectre. La surface de chacun des pics est corrélée à la teneur de l’élément dans le composé et à l’énergie du faisceau primaire. La Figure 4.17 montre un exemple de l’utilisation du MEB-EDS pour l’analyse de la composition

chimique d’un nanocomposite de nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) et d’alumine (Al2O3).[112]

Figure 4.17 Spectre par dispersion d’énergie des rayons X (EDS) de la zone indiquée dans l’encadré rouge sur le grossisse-ment en microscopie électronique à balayage (MEB) du nanocomposite MWCNT/Al2O3. Le tableau présente le rapport atomique et le pourcentage des composants dans le nanocomposite.[112]

Une autre capacité importante et utile de la technique EDS est la cartographie de rayons X des éléments. Les positions des éléments spécifiques émettant des rayons X caractéristiques au sein d’un domaine de l’inspection peuvent être indiquées par couleur. Par exemple, la Figure 4.18 présente l’image EDS de la cartographie élémentaire de nanopiliers de silicium dopé au dioxyde de titane (TiO2).[113] Dans cet exemple le sili-cium (Si) est représenté en vert, le titane (Ti) en bleu, l’oxygène (O) en jaune, l’azote (N) en mauve et le carbone (C) en violet foncé (Figure 4.18).

Figure 4.18 Images EDS de cartographie élémentaire de nanopiliers de silicium dopé au dioxyde de titane (TiO2).[113]

4.9.2 Protocole expérimental

La microscopie électronique à balayage (MEB) est utilisée pour obtenir une image à

l’échelle micrométrique de la surface de l’échantillon. Les clichés ont été réalisés avec un microscope Jeol JSM-5500, après métallisation de l’échantillon à l’or. Le microscope

électronique à balayage couplé à un détecteur EDS X-Max (Oxford instrument) est utilisé pour déterminer la composition chimique et la cartographie de la surface de l’échantillon.