électron
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Matière et Rayonnements les techniques expérimentales d’observation et d’analyse des matériaux 1ère partie II - Les Interactions rayonnement - matière 1 PLAN Introduction : quelques rappels sur des notions de base I - rappels sur la structure de la matière II - généralités sur les interactions Interactions rayonnement-matière IV - neutrons III - particules chargées interactions électrons-matière V - rayonnements électromagnétiques Interactions rayons X- matière Interactions moléculaires … Les ions 2 Les techniques expérimentales (analyse et observation) Principe général de fonctionnement Faisceau réfléchi électrons photons ions particules diverses Faisceau primaire Faisceaux secondaires électrons photons ions particules diverses cible mécanismes d’interactions Interactions - élastiques - inélastiques perte d’énergie (transfert d’énergie) diffusion (variation angulaire) absorption Faisceau diffusé Faisceaux diffractés Faisceau transmis cible mince Informations sur la nature de la cible physique structure de la matière 3 échelle macroscopique I – Rappels sur la structure de la matière exemple de matériaux métalliques électrons (26) noyau Fer : structure polycristalline 100 µm échelle microscopique monocristal de Fer (maille cubique centré) 10 Å (1 nm) atome de fer échelle nanoscopique 1 Å (0,1 nm) 4 Structure atomique structure électronique nuage électronique : Z électrons noyau A nucléons : Z protons A-Z neutrons A 1 µm (micro) : 10-6 m 1 nm (nano) :10-9 m 1 pm (pico) : 10-12 m 1 fm (femto) : 10-15 m 1 F (Fermi)=1 fm 1 am (atto) : 10-18 m structure du noyau 235 92 U symbole chimique Z 5 I.1 - Structure du noyau Fe : noyau : - 56 nucléons (A) - 26 protons (+Z) - 30 neutrons charge : 0 neutron atome quark u (« up ») : +2/3 e quark d (« down ») : -1/3 e 1 Å (0,1 nm ou 10-10m) proton 10 fm (10-14m) charge : +1e masses : - électron : 9,108 10-31kg (0,511 MeV) - proton : 1,672 10-27 kg (938,21 MeV) - neutron : 1,675 10-27 kg (939,51 MeV) nucléon : 3 quarks liés par un échange de gluons + des paires « quarks-antiquarks » virtuels 6 II - Généralités sur les interactions a) Interactions rayonnement-matière : influence de l ’énergie primaire Classification des énergies mises en jeu Unités d’énergie : - Joule (J) - erg (non légal !)(1erg=10-7 J) - électron-volt (eV) (1 eV=1,602 10-19 J) - Kelvin (K) (1eV=11400 K, 1K=8,617 10-5 eV) (E=kT avec k=1,3807 10-23 J.K-1=8,6175 10-5 eV.K-1) (300K kT=0,0258 eV) très faible énergie <1 eV Faible énergie 1eV à 1 keV Haute énergie 1keV à 100keV très haute énergie >100keV meV MeV 7 Mécanismes mis en jeu en fonction de l’énergie Très forte énergie 100 keV - 10 MeV Mösbauer, RBS, RN... Forte énergie interactions avec le noyau ionisation 1 keV - 100 keV niveaux profonds structure nucléaire émission X électrons Auger interactions avec le noyau structure cristalline diffraction Energie moyenne excitation 100 eV - 1keV structure électronique niveaux externes bande de valence Energie du rayonnement incident Faible énergie 0,1 eV - 10eV interactions avec le solide structure cristalline CH3 Très faible énergie 0,01 eV - 10 eV interactions moléculaires O CH3CHCH2 CH3CH2 O NH N H rotation vibration excitation phonons plasmon structure moléculaire ou cristallographique O 8 Interactions photons-matière très haute énergie 1 MeV rayons réactions nucléaires création de paire e-p Interactions électrons-matière noyau très haute énergie 100 keV ionisation des niveaux de coeur rayons X nuage électronique 1 keV 10 keV 1 keV 100 eV ultra-violet faible énergie 1 eV 3eV visible 2eV infra-rouge 0,01 eV MEB EPMA SAM excitations des niveaux électroniques externes de l'atome 10 eV faible énergie 1 eV oscillations collectives du gaz d'électrons libres (plasmons) excitations électroniques excitations moléculaires 0,1 eV très faible énergie TEM STEM EELS excitations électroniques excitations moléculaires ionisation des niveaux de coeur haute énergie excitations des niveaux électroniques externes de l'atome 100 eV 10 eV déplacements atomiques (dégats d'irradiation) 100 keV 10 keV haute énergie 1 MeV vibration, HREELS 0,1 eV vibration, oscillations atomiques collectives (phonons) très faible énergie 0,01 eV oscillations atomiques collectives (phonons) rotation, 0,001 eV micro-onde 0,001 eV rotation, 9 b) Particules incidentes : caractéristiques - Intensité I : nombre de particules par unité de temps (I=N/t) (s-1) - flux F : intensité par unité de surface (F=I/S) (cm-2.s-1) - Énergie E (J ou eV) - vecteur d’onde k - direction et sens du flux incident - module proportionnel à l’énergie concentration atomique de la cible surface flux largeur de la cible 10 Électrons, protons, ions neutrons photons fréquence : (Hz) masse : m vitesse : v pulsation : quantité de mouvement : P mv énergie (cinétique) : vecteur d’onde : 2k2 p2 EC 2m 2m pk longueur d’onde : EC 1mv 2 2 longueur d’onde associée : vecteur d’onde : h h mv 2mE c k 2 c nombre d’onde (cm-1) : k2 énergie : ( h ) 2 2 1 ~ E h hc ~ cm1 8065 EeV E eV 12400 nm c=2,997 929 1010 cm/s h=4,134 10-15 eV.s =1,054 10-34 J.s 11 électron et longueur d’onde h mv E eV 1 mv 2 2 h 2mE non relativiste : ( nm ) 1,23 V( v olts) v ( cm / s ) 0,593 108 V( v olts) relativiste m m0 1 2 v c2 (nm ) 1,23 V 10 6 V 2 non-relativiste Energie ( keV) 10 50 100 1000 relativiste (nm) v (km/s) (nm) v (km/s) Dv/v 0,0123 0,0055 0,0039 0,0012 59 300 132 600 187 500 593 000 0, 0112 0,0054 0,0037 0,0009 58 500 124 200 164 400 282 300 1% 6% 12% 52% 12 c) Interactions rayonnement-matière nature du rayonnement primaire rayonnements électromagnétiques particules micro-onde particules chargées électrons • microscopies électroniques • spectrométrie Auger • diffraction électronique Infra-rouge neutrons • diffusion de neutrons • activation nucléaire protons • PIXE (émission de rayons X induit par protons) ions • SIMS (Spectrométrie d’émission ionique secondaire) • SDL (spectrométrie à décharge luminescente) • FIB (faisceau d’ions focalisés) • spectrométries d’absorption (IR et Raman) • spectrométries d’émission (étincelle, ICP) Ultra-violet • spectrométrie de fluorescence UV Rayons X • spectrométrie de fluorescence X • spectrométrie de photoélectrons • diffraction X Rayons • spectrométrie Mössbauer 13 Interactions électrons-matière avec une cible massive rayonnements observés contraste topographique cartographie X spectre élémentaire électrons primaires électrons secondaires électrons rétrodiffusés E0 Contraste de Z E0 50eV dI dE électrons Auger émissions X émissions électroniques E N(I) électrons secondaires électrons rétrodifusés courant absorbé électrons Auger 10 50 eV 14 E0 Interactions électrons-matière avec une cible mince cartographie X contraste topographique spectre élémentaire électrons primaires Spectre caractéristique électrons secondaires électrons rétrodiffusés E0 fond continu Contraste de Z émissions X 50eV E0 dI dE émissions électroniques E électrons Auger courant absorbé qhkl Microscopie électronique en transmission (TEM-STEM) a électrons diffractés électrons diffusés électrons transmis structure cristallographique spectre de pertes d'énergie (EELS) spectre élémentaire image 15 interaction électron-noyau interaction électron-électron - Perte d’énergie (ralentissement) - Excitation - Ionisation - émission X caractéristique - émission Auger - émission électronique secondaire 16 Interaction avec les électrons de cœur transition radiative rendement de fluorescence K 10-15 s électron secondaire DE>EK a + =1 rayonnements caractéristiques de la composition chimique de la cible électron primaire (de plus faible énergie) transition Auger rendement Auger aK 17 Contraste de nombre atomique : électrons rétrodiffusés (interaction élastique e- / noyau) dendrite (plus riche en Ni) zone inter-dendritique (plus riche en Cr) Carbures de W Visualisation de carbures de W dans une matrice Cr-Ni par détection des électrons rétrodiffusés : Les carbures WC ont un Z plus élevé que la matrice Cr-Ni (70 contre 25), ils ont une plus forte émission rétrodiffusé. On peut même observer les dendrites de solidification de l’alliage (la dendrite est plus riche en Ni) 18 L’émission électronique secondaire électrons issus de la cible (après ionisation) faible énergie moyenne (5 à 50 eV) (énergie la plus probable : 20 eV) L3 L2 N(I) électrons secondaires électrons rétrodifusés L1 E0 électron primaire incident électrons Auger K PEC DE- EK E0- DE électron électron secondaire secondaire électron primaire diffusé 10 E0 50 eV Spectre d’émission électronique de surface - pas d’influence directe de Z - très sensible aux défauts de surface 19 Conséquence de la faible énergie des électrons secondaires libre parcours moyen faible (quelques nm) l’électron secondaire perd rapidement toute son énergie sur quelques dizaines de nm… émission électronique secondaire P O z Seuls, les secondaires émis près de la surface auront une probabilité non-nulle de s’échapper et d’être détectés Emission de surface de petits défauts de surface auront une forte influence sur l’émission par une absorption plus ou moins grande Contraste topographique 20 fibre de verre tête de mouche Images en électrons secondaires grains de pollen 21 Résolutions spatiales selon le signal analysé (MEB et MS) sur échantillons massifs émission Auger : nm (latéral et en profondeur) émission secondaire : quelques nm (latéral et en profondeur) électrons primaires électrons Auger E0 due aux électrons primaires émission électronique rétrodiffusée émission électronique secondaire due aux électrons rétrodiffusés d0 1 à 10 nm émission X caractéristique MEB émission rétrodiffusée : quelques dixièmes de µm (latéral et en profondeur) zd 0,1 à 0,5 m zu (E=Ej) émission X de fond continu ! échelle logarithmique zM (E=0) environ 1 m émission X de fluorescence émission X directe : µm (latéral et en profondeur) > 10 m émission X de fluorescence : 10 µm (latéral et en profondeur) Microanalyse 22 V- Interactions photon-matière niveaux rotationnels niveaux vibrationnels excitations électroniques vibrations moléculaires interactions nucléaires ionisation et excitation électronique, diffraction 23 Classification des rayonnements électromagnétiques Domaine Longueur d’onde Nombre d’onde Energie Fréquence (eV) (Hz) Radiofréquences 4 10-6 – 10-6 105 – 3 108 3000m –1m 3 10-6 – 0,01 Micro-ondes 10-6 – 10-3 3 108 – 3 1011 1m – 1mm 0,01 – 10 IR lointain 1,2 10-3 – 0,05 3 1011 – 1,2 1013 1mm – 25µm 10 – 400 IR moyen 0,05 – 0,6 1,2 1013 – 1,5 1014 25µm – 2 µm 400 – 5000 IR proche 0,6 – 1,9 1,5 1014 – 4,6 1014 2µm – 0,65µm 5000 – 15500 visible 1,9 – 3,1 4,6 1014 – 7,5 1014 0,65µm – 0,38µm 15500 – 25000 proche UV 3,1 – 4,1 7,5 1014 – 1015 0,38µm – 0,30µm 25000 – 120 000 UV moyen 4,1 – 15 1015 – 3,6 1015 0,30µm – 200nm inusité UV lointain 15 – 100 3,6 1015 – 2,4 1016 200nm – 10nm inusité Rayons X mous 100 – 1000 2,4 1016 – 2,4 1017 10nm – 1,2nm inusité Rayons X moyens 1000 – 5 104 2,4 1017 – 1,2 1019 1,2nm – 0,02nm inusité rayons X durs 5 104 – 105 1,2 1019 – 2,4 1019 0,02nm – 0,012nm inusité 104 – 5 108 2 1018 – 1,2 1023 0,1nm – 6 10-5 nm inusité Rayons 10-6 eV 108 eV 105 Hz 1023 Hz (cm-1 ou Kayser) 10-5 nm 103 m 24 Diffusion cohérente : notions succinctes sur la diffraction Lors de la diffusion cohérente, chaque atome du réseau diffuse l’onde plane sous forme d’une onde sphérique. En raison de la périodicité du cristal, les ondes sphériques diffusées interfèrent entre elles… Il apparaît des directions de diffusion privilégiées où les ondes ont une forte intensité diffraction 25 onde plane diffractée onde plane incidente Loi de Bragg : 1 2 qB 3 4 A d Si la différence de chemin optique entre les ondes 1 et n est un nombre entier de longueur d’onde, les amplitudes s’ajoutent Si non elles s’annihilent… D C B AO1 + O1B =3(2d.sinq) = n O2 O1 2d.sinq = n Condition de diffraction de Bragg Origine du phénomène de diffraction : - rayons X : interactions élastiques avec le nuage électronique - électrons : interactions élastiques avec le noyau et le nuage électronique - neutrons : interactions élastiques avec le noyau 26
