Techniques de caractérisation morphologique

Le microscope optique utilisé dans ce travail est un microscope numérique VHX 5000 de la société Keyence©. Des images avec un grossissement allant de 500 à 5000 sont obtenues grâce à un objectif VH-Z500T. Ce microscope est capable de reconstruire numériquement des images en trois dimensions suivant les axes X, Y et Z. Il peut également faire des images de grandes dimensions grâce à un contrôle automatique de la platine de support. Plusieurs images de la surface sont ainsi obtenues et recombinées afin d’acquérir une image d’une dimension d’environ dix centimètres de côté.

3.2.2 Microscope électronique à balayage ou MEB

La microscopie électronique à balayage a été utilisée comme technique supplémentaire pour visualiser la surface des alliages aluminium/cuivre. Elle permet d’analyser l’échantillon sur une très grande profondeur de champ (de l’ordre de la centaine de microns) à un grossissement plus important que celui du microscope optique, et donne ainsi accès à des images des surfaces étudiées en haute résolution. Couplée à une analyse EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), elle a la particularité d’offrir également une information sur la composition chimique de la surface.

L’analyse MEB est une technique d’imagerie dont le principe consiste à projeter un faisceau d’électrons primaires focalisé et monocinétique à la surface des échantillons et à récolter les électrons émis par collision élastique ou inélastique. Deux types d’électrons peuvent être émis de la surface : les électrons secondaires et les électrons rétrodiffusés. Les électrons secondaires sont des électrons de basse énergie résultant de collisions inélastiques avec les couches superficielles de surface. La variation d’électrons secondaires récoltés est donc directement reliée à la variation de la topographie de la surface. Ils permettent ainsi l’acquisition d’images de haute résolution où la morphologie de la surface est bien visible. Les électrons rétrodiffusés (de plus haute énergie) sont quant à eux réfléchis par collisions quasi-élastiques avec les atomes de l’échantillon. Les atomes plus lourds réémettant plus d’électrons rétrodiffusés que les atomes légers, ils permettent l’obtention d’une image beaucoup plus sensible à la composition chimique et aux différentes phases présentes. Les deux types d'électrons émis correspondent donc aux deux modes d’imagerie du MEB.

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L'interaction entre les électrons et la matière produit également des rayons X qui sont analysés par un spectromètre à dispersion d’énergie et permettent l’analyse chimique semi-quantitative de la surface dans le cas d'une analyse EDX.

Les images MEB ont été réalisées au laboratoire LISE (Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques, UMR 8βγ5 à l’UPMC) avec l’aide de Françoise Pillier sur un MEB équipé d'un canon à émission de champ SEM-FEG (Field Emission Gun) Ultra-55 ZEISS. Les observations ont été réalisées dans des conditions standards. La tension d’accélération des électrons est de 15 kV, le courant du faisceau d’électrons est de l’ordre de 180 pA et la pression à l’intérieur de l’enceinte est inférieure à 10−6 mbar.

3.2.3 Microscopie à force atomique ou AFM

La microscopie à force atomique (AFM - Atomic Force Microscopy) est une technique de microscopie à champ proche basée sur la mesure des forces attractives ou répulsives entre une pointe fine et la surface de l’échantillon. Son principe consiste à cartographier la surface en balayant la surface de l’échantillon avec la pointe et en mesurant la force d’interaction locale entre les atomes de la pointe et les atomes de la surface. Un profil morphologique de la surface est ainsi reconstitué. Puisque l'AFM est basée sur des mesures de forces, il n'est pas nécessaire que l'échantillon soit électriquement conducteur, ce qui rend la technique AFM très attrayante et applicable à n’importe quel échantillon (contrairement à la technique STM - Scanning Tunneling Microscope). La Figure I-16 présente le schéma de principe de l'interaction entre la pointe de l'AFM et la surface étudiée.

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La pointe est fixée à un microlevier ou “cantilever”, la mesure de la force d’interaction attractive ou répulsive s’effectue par la mesure de la déviation du microlevier. En effet, le balayage de la surface engendre des flexions du microlevier qui sont mesurées grâce à la déflection d’un faisceau laser réfléchi à l’arrière de celui-ci sur une photodiode. Les déplacements verticaux et horizontaux du faisceau laser se produisent par la flexion du microlevier engendrée par la topographie et la friction (forces latérales) de la surface. L'interaction entre la pointe et l'échantillon dépend de la distance qui les sépare. La sonde (pointe) doit interagir avec le champ de force associé à la surface de l'échantillon. L’interaction peut alors être attractive ou négative et dépend majoritairement des forces de Van der Waals entre la pointe et la surface. Notons cependant que les forces de capillarité et d’adhésion peuvent compliquer l'interaction entre la pointe et l'échantillon. Plusieurs régimes peuvent alors être définis correspondant aux différents modes d’utilisation de l’AFM. Le mode « sans contact » correspond à une distance entre la pointe et la surface entre des dizaines et des centaines d'angströms. Les forces entre la pointe et l'échantillon sont alors attractives. Ce mode est très délicat à gérer et est majoritairement utilisé sous vide.

Dans le mode « contact », la pointe est en interaction physique avec la surface et les forces sont donc répulsives. Dans ce cas, le microlevier est traité comme un ressort de Hooke et la flexion du microlevier est proportionnelle à la force exercée sur la pointe. Ce mode peut être effectué à « hauteur constante » ou à « force constante ». Dans le premier, la hauteur de la pointe est fixe, tandis que dans le second, la force exercée sur le microlevier est fixe. Bien que la résolution atomique soit en principe atteignable avec le mode « hauteur constante », le mode « force constante » est préféré, en raison de la possibilité d'imager les surfaces avec une plus grande variabilité de hauteur.

Dans le mode « contact intermittent » (tapping), le microlevier oscille proche de sa fréquence de résonance de façon sinusoïdale. Dès lors, les forces entre la pointe et la surface engendrent des modifications dans l’amplitude, la phase et la fréquence de résonance du microlevier. La hauteur entre la pointe et la surface est contrôlée en maintenant l'amplitude des oscillations constante selon le balayage. La pointe balaye alors une surface sélectionnée et l’image topographique est le produit de la tension nécessaire pour garder l’amplitude de l’oscillation constante par la sensibilité du piézoélectrique (nm.V−1). L'avantage de ce mode est que les forces appliquées sont faibles et provoquent moins de dommages sur les échantillons que le mode contact.

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Dans cette étude, seul le mode contact intermittent a été utilisé. Les mesures ont été réalisées à l'air avec le Nano-Observer AFM de la compagnie CSI. Des microleviers (cantilever) en silicium fournis par Applied NanoStructures sont utilisés avec une force constante de 25-75 N.m-1 et une fréquence de résonance comprise entre 200 et 400 kHz. Le rayon de courbure de l'extrémité des pointes est inférieur à 5 nm. Le logiciel utilisé permettant de contrôler le microscope, d'enregistrer et de traiter les données est le logiciel NanoSolution fourni par CSI. Dans certains cas, les images ont été retravaillées avec le logiciel Gwyddion libre d’accès.