Techniques d’analyse de la microstructure des surfaces

La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour « scanning electron microscopy » en anglais) est une des techniques les plus utilisées pour l’étude de la morphologie des surfaces à l’échelle microscopique. Le fonctionnement du MEB est basé sur l’interaction entre un faisceau d’électrons incident (électrons primaires) et la surface de l’échantillon analysé. Cette interaction est à l’origine de l’émission de plusieurs types de particules et de rayonnement tels que les électrons secondaires, les électrons rétrodiffusés, les électrons auger et les rayons X. Seuls les électrons secondaires (et quelquefois les électrons rétrodiffusés) sont utilisés pour connaitre la morphologie de surface. En effet, d’énergie relativement faible (<50eV), ces électrons proviennent des couches superficielles et sont donc très sensibles aux variations topographiques de la surface. De plus, il est très facile de les dévier avec un faible potentiel. Ainsi, en synchronisant le balayage du faisceau primaire avec le signal du détecteur d’électrons secondaires, nous pouvons reconstruire la topographie de la surface de l’échantillon : Si le faisceau tombe sur une surface normale au faisceau incident, le nombre d’électrons secondaires détecté est réduit, ce qui se traduit par un contraste sombre dans l’image topographique reconstruite. Si par contre le faisceau tombe sur une surface inclinée, sur une arête ou une pointe un nombre important d’électrons secondaires est produit et détecté. Ceci est représenté par un contraste clair dans l’image obtenue. De plus, les effets d’ombrage – auxquels nous sommes habitués dans la vie courante - améliorent encore notre visualisation de la topographie de surface. Le MEB utilisé lors de nos études est un microscope électronique à balayage (FEG-SEM) de la compagnie Jeol (JSM-6300F) permettant d’atteindre une résolution latérale de 10 nm. Durant nos expériences, nous travaillons en général dans les conditions suivantes : distance de travail (WD)

≈ 10 mm et la tension d’accélération des électrons 5 kV. La distance de travail adoptée permet d’obtenir une résolution meilleure en étant suffisamment proche de la surface de l’échantillon. La tension d’accélération de 5 kV permet de réduire l’accumulation de charges au niveau de la surface des échantillons diélectriques ferroélectriques visualisés.

b. Microscope à force atomique

La microscopie à force atomique est une autre puissante technique qui est utilisée pour étudier la topographie des surfaces, cette fois à une échelle submicroscopique. Un microscope à force atomique (« atomic force microscope : AFM » en anglais) peut permettre dans des conditions bien particulières (dans tous les cas, un échantillon avec une structure parfaite et une surface parfaitement plane, et souvent dans l’ultravide) d’atteindre une résolution atomique. Cependant, dans des conditions normales d’utilisation, à l’ambiante avec des échantillons qui ont une certaine rugosité (des conditions similaires à ce que nous avons utilisé), des résolutions latérales de l’ordre de 5 à 10 nm et une résolution verticale de l’ordre de 0,1 nm [79] sont obtenues, beaucoup plus importantes que la résolution du MEB. Un schéma de principe d’un AFM est présent à la Figure 7 avec ses composantes de détection et de contrôle, dans le cas d’une détection optique. Cette technique consiste à balayer la surface d'un échantillon à l'aide d'une pointe très fine dont le rayon de courbure est d’environ 30 nm et qui est attachée à l’extrémité d’un levier appelé « cantilevier ».

Le principe de fonctionnement d’un AFM est basé sur la détection très précise de la hauteur de la pointe, que l’on met en relation avec la position (connue) de l’échantillon afin de générer une cartographie de la surface de celui-ci. Il y a principalement trois modes de fonctionnement de l’AFM : le mode contact, le mode non-contact et le mode tapping ou mode contact-intermittent. Dans le mode contact, comme son nom l’indique, la pointe est en contact avec la surface de l’échantillon, c’est-à-dire qu’à l’échelle microscopique, la pointe subit les interactions répulsives de courte portée exercées par la surface de l’échantillon (conséquences du principe d’exclusion de Pauli). Ces forces diminuent très rapidement en fonction de la distance. L’imagerie dans ce mode consiste à suivre la hauteur de la pointe qui balaye la surface de l’échantillon étudié. Dans ce cas, la pointe est toujours en contact avec la surface de l’échantillon à une hauteur précise dite "setpoint6_{". À cette hauteur, la pointe est soumise à des forces répulsives causant une déflexion}

du cantilevier. Pendant le balayage de la surface, la pointe risque de passer par des régions de

hauteurs différentes induisant le changement des forces qui sont appliquées sur le cantilevier. Par conséquent, la déflexion de ce dernier change, causant un changement de la hauteur de la pointe. Ensuite, la boucle de réaction ajuste la hauteur de la pointe afin de garder la déflexion du cantilevier constante. Au final, la variation de la hauteur de la pointe est utilisée pour reconstruire la topographie de la surface étudiée. L’inconvénient majeur de ce mode se manifeste au niveau de la possibilité d’endommager les surfaces des échantillons fragiles puisque la pointe est en contact avec la surface. Dans le cas de l’étude des surfaces rigides, c’est la pointe qui risque de subir des endommagements. Quant à lui, le mode non-contact peut se produire quand la pointe interagit avec les forces de longue portée exercées par la surface de l’échantillon. Ces forces sont principalement des forces de Van der Waals7_{, mais comprennent tout autre type de forces}

attractives. Le mode non-contact utilise le même principe d’imagerie que le mode précédent sauf que dans ce cas la pointe est soumise à des forces attractives. Par conséquent, c’est le mécanisme opposé qui est plutôt appliqué dans cette situation. Ce mode est le moins utilisée dû principalement au fait que les forces d’interaction dans ce mode sont considérablement plus faibles que dans le cas du mode contact. Ce mode de fonctionnement est donc assez difficile à réaliser et très facile à déstabiliser.

D’un autre côté, le mode tapping peut être vu comme un mode à mi-chemin entre le mode contact et mode non-contact. Ce mode consiste à placer alternativement la pointe en contact avec la surface (pour une courte durée) pour fournir une haute résolution puis l’éloigner pour éviter de la faire traîner à travers la surface. Dans ce mode, le cantilevier (par conséquent la pointe) est maintenu constamment en mouvement oscillatoire à sa fréquence de résonance au tour de la "setpoint" à l’aide d’un élément piézoélectrique. Celui-ci impose à la pointe un mouvement oscillatoire d’une amplitude relativement importante (généralement supérieure à 20 nm) lorsque celle-ci n'est pas en contact avec la surface. Pendant le balayage, la pointe oscillante entre en contact alternatif avec la surface et se dégage. En effet, au fur et à mesure que la pointe oscillante commence à entrer en contact par intermittence avec la surface, son oscillation est nécessairement réduite en raison de la perte d'énergie provoquée par son interaction avec la surface. Pendant l'opération du mode tapping, l'amplitude d'oscillation du cantilevier est maintenue constante par la boucle de réaction. Ceci s’effectue de la façon suivante : lorsque la pointe passe sur une bosse dans la surface, le cantilevier à moins de place pour osciller et

l'amplitude de l'oscillation diminue. À l'inverse, lorsque la pointe passe sur une dépression, le cantilevier à plus de place pour osciller et l'amplitude augmente (approche de l'amplitude maximale de l'air libre). À l’aide de la boucle de réaction, la hauteur de la pointe est ajustée pour que l’amplitude de vibration du cantilevier reste constante et la variation de la hauteur est ensuite utilisée pour reconstruire l’image de la topographie de la surface étudiée. Ce mode d’imagerie est du loin le plus utilisé comparé aux deux autres modes pour plusieurs facteurs : (i) le contact intermittent (pour une courte durée) de la pointe avec la surface permet d’éviter les interactions nocives (pour la pointe et/ou pour la surface) qui peuvent se produire dans le mode contact. (ii) Le mode tapping permet à la pointe de rentrer en contact (intermittent) avec la surface étudiée ce qui offre une résolution meilleure que le mode non-contact. Au final, le mode tapping permet de profiter des avantages du mode contact et d’éviter les inconvénients du mode non-contact.

L’AFM utilisé pour l’étude de la topographie des surfaces des échantillons (céramiques et couches minces) dans le cadre de ce travail est un système EnviroScope de DI (pour Digital Instruments, racheté par « Veeco instruments » et aujourd’hui partie de « Bruker »). Finalement, L’AFM est particulièrement utile lorsqu’on s’intéresse à l’étude de la microstructure des surfaces des matériaux diélectriques (comme dans le cas de l’étude réalisées dans le cadre de cette thèse). En effet, l’utilisation du MEB pour étudier la morphologie des surfaces peut rencontrer plusieurs difficultés. Parmi lesquelles, l’accumulation des charges dans le cas de l’étude des matériaux diélectriques en raison de leur faible conductivité. Ce problème " majeur " peut être efficacement évité en utilisant un AFM, vu que dans ce cas la détermination de la topographie est basée sur l’interaction mécanique de l’échantillon avec une pointe généralement en silicium.

Figure 7 : Schéma de principe montrant les principales composantes d’un AFM avec un système de détection optique. La boucle de réaction est constituée par la pointe, le faisceau laser, le détecteur, l’électronique de contrôle et le scanner, qui contrôle la position de l’échantillon.

2. Techniques de caractérisation de la composition chimique