Microsonde électronique

La détermination de coefficients de diffusion à partir de profils de diffusion expérimentaux nécessite de connaitre avec précision la composition le long du profil. Les appareils capables de déterminer ainsi une composition précise à 0.01poids% avec une résolution spatiale de 1µm sur des distances pouvant s’étendre sur plusieurs millimètres ne sont pas légions. La microsonde, EPMA pour Electron Probe Micro Analysis est un outil de choix permettant d’effectuer un grand nombre de mesures rapidement avec des caractéristiques entrant dans notre cahier des charges.

La mesure commence par la génération d’un faisceau d’électrons fortement accéléré, bombardant l’échantillon. Les quelques premiers µm à la surface interagissent à travers

différents mécanismes en fonction de leur profondeur qui sont décrits Figure 2.5. Cette zone d’interaction est couramment appelée poire d’interaction. La majorité du rayonnement X réémis par le matériau provient d’interactions inélastiques entre les électrons incidents et le cortège électronique des atomes irradiés. En effet si l’électron incident est suffisamment énergétique pour ioniser un niveau profond d’un atome stable, il peut porter l’atome dans un état excité. Cette ionisation s’accompagne de l’éjection d’un électron de la couche profonde. L’atome possède maintenant une lacune et va procéder à sa désexcitation par le déplacement d’un électron depuis un niveau moins énergétique vers la lacune présente au niveau profond. Cette désexcitation s’accompagne d’une perte d’énergie égale à la différence d’énergie entre les deux niveaux.

Cette perte d’énergie s’accompagne dans un premier temps de l’émission d’un photon X dont l’énergie est discrète et caractéristique de la transition électronique qui vient d’avoir lieu ainsi que d’un électron d’un niveau externe moins lié dit électron d’Auger. L’énergie de ce photon X est caractéristique de l’élément quand la quantité de ces photons mesurés représente la quantité de cet élément. Ces photons X à énergie caractéristiques sont appelés des raies X. L’énergie de ces raies augmente avec le numéro atomique et cela en raison de l’énergie de liaison plus forte des niveaux profonds. Les électrons de la couche K sont quasiment les seuls qu’il est souhaitable d’éjecter car le niveau d’énergie caractéristique de la désexcitation de l’atome est peu sensible au voisinage et donc à la phase de l’échantillon. Les informations que nous obtenons sont uniquement sur la chimie élémentaire du matériau. Il est toutefois possible d’exciter les seuils L et M mais leur analyse est beaucoup plus complexe à corréler avec une chimie élémentaire exacte. L’existence de sous-niveaux comme par exemple avec le seuil L complexifie l’interprétation.

Nous venons ici de décrire le fonctionnement de la spectroscopie EDS qui est la base du fonctionnement d’une microsonde. La résolution élémentaire beaucoup plus élevée, caractéristique de la microsonde, est obtenue grâce à une exploitation plus poussée de ce phénomène d’émission de photons X à énergie caractéristique.

Figure 2. 5 : Poire d'interaction sous le bombardement

L’augmentation de la sensibilité de la mesure se fait par l’appareillage. En effet le comptage des photons X réémis par le matériau va être réalisé avec l’aide de cristaux monochromateurs. Le principe est imagé Figure 2.6 avec un faisceau de photons X provenant de l’échantillon et arrivant sur le cristal avec une longueur d’onde λ. Le cristal se trouve en position de Bragg à savoir que sous un angle d’incidence θ dit angle de Bragg, la relation suivante peut être écrite :

2݀ sinሺߠሻ ൌ ݊ߣ ( 2.3 )

avec d la distance inter-réticulaire entre les plans du monochromateur et n un nombre entier quelconque. Dans cette disposition, avec une loi de Bragg vérifiée, le monochromateur va diffracter le rayonnement X incident dans une direction et avec une longueur d’onde très précise. Pour vérifier la loi de Bragg, le déplacement du monochromateur sur le cercle de Rowland permet de varier l’angle θ pour sélectionner la longueur d’onde que l’on souhaite faire diffracter. Cependant cette variation a ses limites et l’étendue de la répartition énergétique des raies X caractéristiques ne permet pas à un seul monochromateur de diffracter pour tous les éléments. Plusieurs monochromateurs sont donc utilisés, chacun ayant une distance interréticulaire d choisie pour pouvoir diffracter une gamme en énergie. La quantité des différents éléments analysés est donc, en fonction de l’énergie caractéristique de leurs photons X émis, mesurée à travers différents monochromateurs.

L’utilisation de monochromateurs permet de diffracter le rayon X incident en un rayon très peu dispersé en énergie. Nous avons effectué des campagnes de mesure microsonde sur deux sites distincts à savoir le centre de recherche SGRP de Saint-Gobain et la plateforme de mesure CAMPARI de Sorbonne Université sur le site de Jussieu. Cependant, l’appareil utilisé est le même à savoir une microsonde SXFive et les réglages utilisés sont rigoureusement identiques sur chaque appareil. Le faisceau a donc un voltage de 15kV, un ampérage de 10nA et 5s de comptage par élément. Le faisceau est aussi élargi pour réduire l’énergie reçue par µm² et ainsi diminuer la migration du sodium. Pour plus de précautions concernant le comptage du sodium, sujet à migration sous des faisceaux aussi énergétiques, cet élément est mesuré en premier. Aussi il convient de paramétrer la microsonde de façon à ce que le faisceau n’irradie pas l’échantillon pendant que la focalisation automatique se fait avant chaque mesure.