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Submitted on 1 Jan 1972
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OBSERVATION DIRECTE DES DOMAINES FERROÉLECTRIQUES DU SULFATE DE GLYCOCOLLE (T. G. S.) AU MICROSCOPE
ÉLECTRONIQUE A BALAYAGE
R. Le Bihan, M. Maussion
To cite this version:
R. Le Bihan, M. Maussion. OBSERVATION DIRECTE DES DOMAINES FERROÉLECTRIQUES DU SULFATE DE GLYCOCOLLE (T. G. S.) AU MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE A BALAYAGE.
Journal de Physique Colloques, 1972, 33 (C2), pp.C2-215-C2-217. �10.1051/jphyscol:1972274�. �jpa- 00215010�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C2, supplément au no 4, Tome 33, Avril 1972, page C2-215
OBSERVATION DIRECTE DES DOMAINES FERROÉLECTRIQUE s
DU SULFATE DE GLYCOCOLLE (T. G. S.) AU MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE A BALAYAGE
R. LE BIHAN et M. MAUSSION Laboratoire de Physique des Surfaces
Faculté des Sciences, 38, boulevard Michelet, 44, Nantes, France
Résumé. - Le calcul des conditions nécessaires pour une bonne observation d'échantillons iso- lants (sans métallisation) au microscope électronique à balayage est effectué. L'application à l'étude des cristaux ferroélectriques de sulfate de glycocolle est faite : observation des domaines polarisés
à 1800 sans aucun traitement de la surface des cristaux, observation de déplacement de parois et création de domaines positifs sous l'influence du balayage.
L'observation directe de cristaux ferroélectriques avec un microscope électronique à balayage (M. E. B.) avait déjà révélé les domaines [II. Mais dans le cas des cristaux étudiés (BaTiO, par exemple), le contiaste pouvait être attribué à la variation du potentiel de surface ou au relief associés aux domaines. Dans le but d'observer un contraste dû uniquement à la différence du potentiel électrique de surface, nous avons observé des cristaux de sulfate de glycocolle [2]. Les observa- tions ont été effectuées avec le microscope électronique J. S. M. 2 de J. E. O. L. Co, en captant les électrons secondaires. Les difficultés expérimentales, résultant de la charge de I'échantillon de T. G. S. par le faisceau d'électrons, nous ont conduit à étudier les conditions d'observation favorables pour un isolant dans un M. E. B. Nous commencerons par étudier le méca- nisme de la charge afin d'expliquer nos observations des cristaux de T. G. S.
Si l'on assimile la surface balayée a2 à l'armature d'un condensateur dont l'autre armature est le support de I'échantillon étudié et si l'on néglige les effets de bords, le potentiel entre la surface balayée et le support est V = Qd/&a2, où Q, d et E sont respectivement la charge en surface, l'épaisseur et la constante diélec- trique de I'échantillon. La tension d'accélération réelle n'est pas la tension Vo entre la cathode et le support de I'échantillon, mais Va = V
+
V,. Soient Ip et is les courants primaires et secondaires. On sait que la variation du taux d'émission secondaire (6 = Is/Ip) en fonction de Va est une courbe caractéristique du matériau. On peut montrer que si V, n'est pas trop faible, un équilibre est atteint. La quantité de charge arrivant en surface pendant un balayage est alors égale à celle qui s'en échappe plus celle qui s'écoule à travers le condensateur pendant le même temps T. Si p est la résistivité du corps, on a :Dans la plupart des cas ~p est grand devant T et l'équa- tion se simplifie :
Ce qui donne :
L'équation (1) est celle d'une droite coupant la caractéristique 6(Va) en deux points Ml et M2 (Fig. 1)
FIG. 1. - Variation du taux d'émission secondaire 6 = Is/ID de
I'échantillon en fonction de la tension d'accélération Va. Déter- mination du point d'équilibre.
et passant par le point A de coordonnées (V,, 1). M2 est un point d'équilibre, car les pentes des deux courbes y sont de signe opposé. Soient VI et V, les tensions correspondant à M, et M,. Lorsque la tension cathode V, diffère de V,, le spécimen se charge jusqu'au potentiel V2 - V,, qui est négatif si V, > V, et positif si VI < V, < V,. Pour V, < VI, Va diminue et toute la tension V, se retrouve pratiquement sur l'échan- tillon. A l'équilibre, nous avons :
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972274
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On voit que pour V, = V2, 6 = 1 ; l'échantillon ne se charge pas. Le calcul précédent n'est pas très diffé- rent de celui que l'on fait lorsque le diélectrique reçoit un flux permanent d'électrons. Le fait essentiel, pour observer un diélectrique (ferroélectrique ou non) à l'aide du M. E. B., réside dans le choix judicieux de la tension cathode V,, qui doit être égale à la tension V, définie ci-dessus. Pour le T. G. S., cette tension est voisine de 2 kV. Pour le BaTiO, qui donne beaucoup plus d'électrons secondaires, elle est d'environ 5,5 kV.
Ces valeurs sont approchées et peuvent varier comme nous le verrons plus loin. La détermination expéri- mentale de V, est possible, lorsque l'échantillon est placé dans le microscope. Il suffit de charger une petite surface du matériau et de l'observer ensuite avec un grossissement plus faible. Une zone centrale noire ou blanche indique respectivement une charge positive ou négative de sorte que Vo doit être augmenté dans le premier cas et diminué dans l'autre. On répète ceci jusqu'à ce que le contraste s'inverse, V, se situant alors entre les deux dernières valeurs de V,. La déter- mination précise de V2 se fait de la même façon. Pour terminer, on augmente la sensibilité du détecteur ou le courant primaire. Théoriquement il subsiste ce~endant une limitation à l'observation globale d'un diélectrique au M. E. B. car selon la loi de Bruining, 6 varie avec l'incidence i :
6(i) = 6(0) exp (- al. cos i) et pour deux valeurs différentes il et i, de i :
6(i,) = 6(i2) exp
{-
aA(cos il - COS i2)).
(3)Pour chaque incidence on aura une caractéristique 6(V,). Le point M, sera dédoublé et à chaque incidence il correspondra une twsion d'équilibre V,. Pour éviter la charge excessive d'un échantillon diélectrique possé- dant un relief, on aura soin de prendre : 1) une valeur moyenne de V,, 2) un faible courant primaire, 3) un balayage rapide. Dans ces conditions l'échantillon pourra être observé avant que chacun de ses points ne se soit chargé jusqu'à sa propre tension d'équilibre.
Mis à part la restriction précédente, il est maintenant aisé d'observer un diélectrique au M. E. B. sans aucun traitement de surface. Les avantages de cette méthode directe d'observation sont évidents. Tout d'abord, il n'est pas nécessaire de métalliser l'échantillon, ce qui se révèle très précieux dans l'étude des ferroélectriques.
L'extrémité positive d'un domaine émettra moins d'électrons secondaires que la négative, tandis qu'après métallisation les informations électriques relatives à la surface disparaissent. En plus, le spécimen reste intact pour d'autres manipulations ou pour l'utilisation.
La densité initiale des charges en surface d'un cristal de T. G. S. est ) P,. Lorsque la tension cathode V,, est différente de V2, elle devient après n balayage :
où 6, est le taux du r-ième balayage. La densité o tend plus ou moins rapidement, selon le facteur I, T/a2, vers (V2 - V,) &Id. Ceci explique pourquoi le contraste entre deux domaines ferroélectriques disparaît après plusieurs balayages, seul un contraste dû à la frontière subsistant [2], et pourquoi cet effet est plus marqué à fort grossissement. Coates [3] a montré aussi des photo- graphies du contraste des frontières. Avec une valeur correcte de V, (V, = V,) nous avons réussi à observer un contraste entre domaines, persistant même à fort grossissement.
Le contraste des parois de domaines nécessite quelques explications. La frontière d'un même domaine lenticulaire peut être blanche ou noire, que l'on observe l'extrémité positive ou négative. Ce contraste ne dépend que du signe de la charge due au faisceau électronique.
Nous en avons conclu que la frontière, où la polarisa- tion varie de - P, à
+
P,, ne retient pas les charges en surface par suite du champ électrique horizontal résultant des variations de P,. La figure 2 montre l'extrémité négative d'un même domaine avec sa fron- tière blanche puis noire. Ce changement a été obtenu en inversant le signe de la charge ; dans le premier cas, la charge était positive (Vo < V2) et inversement dans le second. Cette expérience est reproductible, et simi- laire avec l'extrémité positive d'un domaine. Nous avons également observé un même domaine avec une partie de sa frontière noire et l'autre blanche (cf. Fig. 3 de la réf. [2]). Dans ce dernier cas, la différence de charge n'était pas due à la variation de la tension cathode, mais à une différence de tension d'équilibre.Par suite d'un clivage imparfait, deux angles d'inci- dence différents existaient d'où deux tensions d'équi- libre comme précisé plus haut. La tension cathode était entre ces deux valeurs, de sorte que les deux plans se chargeaient simultanément avec un signe opposé.
Nous avons observé des modifications de la structure en domaines ferroélectriques sous l'influence du fais- ceau électronique. Pour y parvenir on donna volontai- rement à V,, une valeur distincte de V,. La comparaison des photographies prises lors des balayages successifs a montré la nucléation des domaines sous l'action du faisceau électronique ainsi que la croissance ou la régression des domaines sous la même action (voir par exemple la Fig. 8 de la réf. [2] sur laquelle la nucléation et la modification des domaines sont très visibles).
L'observation de l'évolution du phénomène est facilitée en se plaçant dans les conditions de charge lente (faible courant primaire et balayage rapide). Des études plus détaillées de ce phénomène à l'aide du M. E. B. pour- raient contribuer à la connaissance du renversement des domaines ferroélectriques.
Des expériences sur le titanate de Baryum, utilisant la méthode décrite ici, ont également été menées et seront publiées par ailleurs.
En conclusion, nous avons montré qu'avec des valeurs correctes de certains paramètres du microscope électronique à balayage il est possible d'observer direc- tement des corps isolants sans les métalliser. Une telle
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FIG. 2. - La frontière de l'extrémité négative d'un domaine apparaît blanche ou noire suivant que la charge due au faisceau électronique est positive (Vo < V Z ) OU négative (VO > V2).
méthode permet d'observer le spécimen sans destruc- tion des domaines à 1800 du T. G. S. La nucléation, la tion, et d'obtenir des informations électriques sur sa croissance et la régression de domaines ferroélectriques surface, ce dernier point étant particulièrement intéres- sous l'action du faisceau d'électrons a été observée.
sant pour l'étude des cristaux ferroélectriques. Nous Nous remercions le Dr Coates et le Prof. Chapelle avons appliqué, avec succès, cette méthode à l'observa- qui nous ont fournis les cristaux de T. G. S.
DIRECT OBSERVATION OF FERRO-ELECTRIC DOMAIN S IN TRIGLYCINE SULPHATE (T. G. S.) USING
THE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE (S. E. M.)
Abstract. - The conditions necessary for a good observation of insulating samples (without inetallization) with a S. E. M. are calculated. The application to the study of ferroelectric T. G. S.
crystals is made : observation of antiparallel domains without modification of its surface, modifica- tion and nucleation of domains by the electron beam.
We shown the possibility of observing ferroelectric crystals with S. E. M. [l]. But in the studied crystals (BaTiO, for example) the contrast could be attribute to surface potential differences or to surface topo- graphy associated with domains. In order to observe a domain contrast due only to electrical potential diffe- rence, we observed ferroelectric domains of T. G. S.
crystals by using the S. E. M. (J. S. M. 2 of J. E. O. L.
Co) in the secondary emission mode [2]. Experimental difficulties due mainly to the charging of the insulating sample by the electron-beam led us to study the most favorables conditions for observing any insulator in a S. E. M. We shall detail in first the charging mechanism in order to explain ours observations on T. G. S.
Let us consider the swept area a2 as one plate of a condenser. If we neglect boards effects, the potential between this surface and the holder is V = Qd/&a2, where Q , d and E are the surface charge, the thickness and the dielectric constant of the sample. The real accelerating voltage Va is not the cathode voltage V , but Va = V
+
V0. Let I, and I, be the primary and the secondary current. It is known that the variation of the rate of secondary electron emission (6 = IJI,,) versus accelerating voltage is a curve dependant of the mate- rial. It can be shown that if Vo is not too low, an equilibrium is reached. At this state, the quantity of the charge arriving on the surface during one scan equals that collected by the detector more that which15
