Méthodes expérimentales de la physique Microscopie

Méthodes expérimentales
de la physique
Microscopie électronique
1. Introduction
Jean-Marc Bonard
[email protected]
Année académique 07-08
1.1. Microscopie
1665…2007
Microscopie I
! Dictionnaire
" Microscopie - Étude de petits
objects à l’aide d’un microscope
" Microscope - Un instrument utilisé
pour obtenir une image agrandie de
petits objects et pour révéler des
détails de structure non visibles à
l’œil.
! Premiers microscopes
" Zacharias Janssen: microscope
composé ? (1590)
" Galileo Galilei: occhiolino (1609)
" Robert Hooke:
“Micrographia” (1665)
http://www.merckmedicus.com # Medical Library
# Dorlands Medical Dictionary
R. Hooke, Micrographia (1665)
http://www.ucmp.berkeley.edu/history/hooke.html
Microscopie II
! Un microscope, c’est
" Une source de “lumière”
" Une illumination (lentilles,
diaphragmes)
" Un échantillon (et un goniomètre)
" Une optique de grandissement
" Un détecteur, un œil, une plaque
photo
" …en principe !
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/index.html
Grandissement
! Grandissement
" Rapport entre taille réelle et taille de
l’image (œil, écran, tirage papier, …)
%
x10
" Le grandissement n’est pas tout!
! Image nette: résolution
" ! dimension d’un pixel
" ! 1/1000 taille de la zone capturée sur
le négatif/la caméra
! Image de 10 cm
~
x10
" "scopie optique
$ Résolution de 0.5 "m
$ Grandissement max. de ~200x
" "scopie électronique à transmission
$ Résolution de 2Å
&
$ Grandissement max. de ~500’000x
Microscopies électroniques
! Imagerie avec des électrons
" Résolution et profondeur de champ plus
élevées qu’avec des photons
! Méthodes complémentaires réunies en
un seul instrument
" Techniques très répandues
" Information structurale et chimique
! Microscopie électronique à balayage
(SEM, MEB)
" Image obtenue par balayage d’une sonde
! Microscopie électronique à transmission
(TEM, MET)
" Image obtenue de façon analogue au
"scope optique classique
! Principes radicalement différents!
Même échantillon observé en SEM et
en TEM (semi-conducteur II-VI)
Microscopies
Microscope
Résolution
Prof. de champ
Interaction avec matière
Environnement
Pixels/image
"optique"
(photons)
~ 0.3-1 mm
Faible
<<1mm @ 10!
Lumière (onde EM), isolant vs
conducteur
air, gas, vide, liquides
4000 x 3000
(1000 x 1000)
SEM
Microscope
électronique à
balayage
1-10 nm
Élevée
~ 1mm @ 103 !
Particule chargée / champ EM,
e- secondaires et rétrodiffusés,
transitions interbande et
ionisation
Vide (récemment: gas
p<50mbar)
1000 x 1000
(4000 x 3000)
TEM
Microscope
électronique à
transmission
0.2 nm
Élevée mais
échantillon est
mince...
Particule chargée / champ EM,
diffusion et diffraction des e-
Vide (gaz ou liquide dans
“cellules
environnementales”)
4000 x 3000
(1000 x 1000)
STM Microscope
à effet tunnel
latérale 0.2nm,
profondeur
0.01nm
Très faible
~100nm
Effet tunnel avec e-, densité
d’états
Milieux diélectriques
(vide, air, gaz, liquides)
512 x 512
AFM Microscope
à force atomique
latérale ~ 1nm,
profondeur
0.1nm
Faible ~10!m
Forces atomiques (van der
Waals, covalente, ionique),
friction, forces électro-statiques
+magnétiques
Vide, air, gaz, liquides
512 x 512
Source: P.-A. Buffat
Images
“Granules” solaires
http://science.msfc.nasa.gov/ssl/
pad/solar/feature1.htm
1 "m
Nitrure de titane
http://www.ccr.jussieu.fr/lple/Galerie.html
5 Mm
Images II
! Microscopie à transmission
5 "m
Moelle osseuse
http://www.uq.edu.au/nanoworld/index.html
Al nanocristallin
Science 300, 1275 (2003)
Images III
Dislocations et fautes d’empilement dans SiC
Champ clair en TEM
http://www.gatan.com/image_lib/index.html
Fractures et microfractures dans un grès
Cathodoluminescence en SEM
http://uts.cc.utexas.edu/~rmr/CLweb
Images IV
! Rien n’est plus trompeur qu’une
image
! Pour interpréter une
micrographie, il faut connaître
" La méthode utilisée
$ Photographie? Microscopie? Avec des
photons, des électrons…?
" L’échantillon et sa préparation
" Le signal utilisé pour former l’image
$ Mécanisme(s) d’imagerie?
$ Fonctionnement du détecteur?
$ Artefacts?
" L’Échelle
$ Grandissement
1.2. Résolution
Tiré de Williams/Carter
Diffraction par une
ouverture circulaire
Fraunhofer
D "/a
a
D > a 2/"
! Écran opaque avec ouverture de
rayon a
" Traitement de Huygens-Fresnel
$ Chaque point de l’ouverture est source
d’une ondelette sphérique secondaire
" Diffraction de Fresnel
D « a 2/"
$ Champ proche
$ Tache structurée, taille # a
Fresnel
" Diffraction de Fraunhofer
$ Champ lointain
$ Peu de ressemblance avec l’ouverture
$ Disque d’Airy de rayon
! " 1.22
a
D#
2a
D
"
Limite de résolution
! "scopie classique
" Formation d’une image agrandie par un
système de lentilles
" Résolution
$ Limitée par la diffraction
$ Image d’un petit objet circulaire: disque d’Airy
$ Critère de Rayleigh/Abbe
#
! " 0.61
n sin $
n sin#: ouverture numérique
$ Typiquement 0.5 "m pour "scopie optique
! Peut-on faire mieux?
" Diminuer "
" Former une petite sonde et la balayer
$x > $
$x < $
Longueur d’onde
! Rayonnement électromagnétique
10-5
Photons
" E = hc/"
" " < 5 nm : E > 1 keV (rayons X)
! Électrons
" Longueur d’onde: de Broglie
" E = h/|p|
"" =
#
=
=
hc (2%E%E0+E2)-0.5 [E0 = m0c2]
h (2m0%E)-0.5
si v << c
12.2 pm @ 10 keV (SEM)
1.96 pm @ 300 keV (TEM)
" Relativistes pour E > 100 keV
(" < 3.7 pm, v > 0.5%c)
10-7
Longueur d'onde [m]
$ Sources? Lentilles?
LM
10-6 Electrons
10-8
10-9
10
UPS
Protons
Neutrons
He
Ar
XRD
AS
-10
LEED
RHEED
10-11
10
SEM
TEM
-12
ISS
10-13
10
XPS
STM
SIMS
RBS
-14
10-6
10-4
10-2
100
102
104
Energie d'excitation [eV]
106
Electrons: nature ondulatoire
! Expérience des fentes de Young
" Faisceau d’électrons cohérent
8 e–
270 e–
2000 e–
6000 e–
" Deux fentes: biprisme
électrostatique
Figure d’interférence se construit
électron par électron…
A. Tonomura et al., AJP 57, 117 (89)
1.3. Microscopies “usuelles”
Microscopies “usuelles”
! Objet illuminé par une source
" Observation intégrale de l’image
" Grandissement déterminé par
$ Les focales des lentilles
$ Les distances source-objet-écran
" Résolution limitée par
$ La longueur d’onde des particules sonde
$ Les aberrations des lentilles
$ La cohérence de la source
! Exemples
" "scopie optique
" "scopie à projection,
à émission de champ
" "scopie électronique à transmission
Microscopie à émission de champ
! Source = échantillon
! Pas de lentilles
" Grandissement: distance source-écran et
rayon de courbure source
! Observation d’une pointe métallique
en émission de champ
" Echantillon taillé en pointe: amplification
du champ
" Sensibilité extrême aux protubérances et
au travail de sortie local
e–
" Études d’adsorption/
désorbtion
" Études de diffusion
– +
V
Microscopie à émission de champ
! Exemple: NO+H2 sur Ir
" Pointe propre: émission sur (110)
" Avec pression partielle de NO+H2
$ Modification de l’émission sur (110)
$ Brefs abaissements du travail de sortie
sur les plans (100):
présence probable de NHx ou de O
$ Foyers de réaction chimique oscillatoires
Cobden et al, Surf. Sci. 402, 155 (1998)
Microscopie à ionisation de champ
(1956)
! Ionisation d’atomes d’He
" Echantillon taillé en pointe:
amplification du champ
" Fort champ électrique au niveau des
atomes au bord des terrasses
" Atomes d’He ionisés au voisinage de
ces atomes
" Ions suivent les lignes de champ
jusqu’à l’écran
Premières images avec résolution atomique
+
–
!scopie à projection
! Objet illuminé par une source
ponctuelle
" Source à émission de champ
" Observation intégrale de l’image
" Grandissement
$ Pas de lentilles
$ Rapport distances source-objet et
objet-écran
" Observation avec électrons de basse
énergie
Schmid and Fink, APL 70, 2679 (1997)
Microscopie à transmission
! Source
" Canon à électrons, 50…400 keV
! Système optique
" Lentilles électromagnétiques
" Diaphragmes
" Correcteurs (astigmatisme)
! Goniomètre
" Echantillon
! Détecteur(s)
" Écran fluorescent, œil
" Plaques photo, caméra CCD
" Produits d’interaction,
filtres en énergie
TEM:
histoire
Pt par Sp1
13 !
Br par Sp2
4.8 !
Pt par Sp1+Sp2
17.4 !
! 1897
" “Cathode rays” J.J. Thomson annonce
l’existence des électrons
! 1924
" de Broglie: longueur
d’onde des particules
! 1926
" Busch: focalisation d’un
faisceau d’électrons
avec une lentille
magnétique
! 1931
" Ruska et Knoll construisent le premier TEM
Ruska, Rev. Mod. Phys. 59, 627 (87)
TEM: histoire II
! 1935
" Knoll réalise un TEM avec
balayage du faisceau
! 1939
" Siemens produit le premier
microscope commercial
(Übermikroscop)
! 1986
" E. Ruska, G. Binnig et
H. Rohrer recoivent le prix
Nobel en physique pour le
développement
du TEM (Ruska) et
du STM (Binnig et Rohrer)
Premier "scope Siemens
1939
En deux mots…
Siemens Elmiskop1
1954
Lamelles d’hématite (Fe2O3) dans
une matrice d’ilmenite (FeTiO3)
TEM standard (champ sombre)
! Imagerie avec électrons
transmis
" Microstructure, dislocations
" Imagerie à résolution “atomique”
! Interactions électrons-matière
" Analyse chimique (élémentaire)
" Analyse électronique
" Analyse cristallographique
Composition chimique (EELS)
Haute résolution
! Échantillon doit être transparent
aux électrons
" Préparation d’échantillon
! Prix: ~1 MFr.
Kasama et al., Am. Mineralogist 88, 1190 (03)
1.4. !scopies à sonde locale
Principe
! Interaction entre une sonde et
l’objet
" Électrons secondaires (SEM), …
" Courant tunnel (STM)
" Force atomique (AFM), magnétique,
électrostatique…
" Luminescence (SNOM)
! Image formée par balayage de
la sonde sur l’objet
Microscopie à balayage
! Image formée point à point par
balayage séquentiel d’une sonde
électronique
" Canon à électrons
" Optique électronique
" Balayage de la sonde
! Enregistrement de l’image sur
écran TV / sous forme numérique
! Echantillon massif
" Image de la “surface” de l’échantillon
(couche de 1 nm 1 "m selon type de signal)
! Sources de contraste multiples
! Résolution: 1…10 nm
4!4
Echantillonnage
! Grandissement
déterminé par
64!64
" La taille de la surface
balayée
! Résolution limitée par
" La taille de la sonde
" La sensibilité de la
détection
256!256
http://www.x-raymicroanalysis.com
! 1935-38
" Balayage d’une sonde par Knoll
" Balayage en TEM par von Ardenne
! 1942
" Première image de surface en SEM
chez RCA (USA)
" Pas poursuivi car résolution moins
bonne qu’en TEM
! 1952
" Groupe Oatley à Cambridge
" Premières images “3D”
de la surface
10 "m
SEM: histoire II
! 1952-1965
" Détecteur d’électrons
rétrodiffusés
" Détecteur d’électrons
secondaires Everhart-Thornley
! 1965
" Cambridge Instruments produit
le premier microscope à
balayage commercial: le
“Stereoscan”
Surface d’Al
après attaque
chimique
http://www2.eng.cam.ac.uk/~bcb/cwo1.htm
http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/mcmullan/mcm.htm
SEM: histoire
En deux mots
! Imagerie avec produits
d’interaction
" Imagerie, topographie
" Analyse chimique (élémentaire)
" Analyse cristallographique
" Luminescence / courant induit / …
" Simple, rapide, très répandu
" Résolution moindre qu’en TEM
(surtout en analyse chimique)
! Pas de préparation d’échantillon
" Échantillon doit être conducteur
(flash Au, vide partiel)
! Prix: ~200 kFr.
Cu Ni Sn Pb
Soudure Pb/Sn sur fil Cu nickelé
Bibliographie I
! Ouvrages généraux
!'Ouvrages de référence
" D.B. Williams and C.B. Carter,
Transmission electron microscopy
(Plenum, 1996)
"'L. Reimer, Transmission Electron
Microscopy (Springer Verlag,
1984/1988/1993)
" S. Amelinckx et al, Handbook of
Microscopy: Applications in Material
Science, Solid State Physics and
Chemistry (vol. 1 and 2) (VCH,
1997)
"'L. Reimer, Scanning Electron
Microscopy (Springer Verlag,
1985/1998)
! Notes de cours de P.-A. Buffat
" http://cimewww.epfl.ch/people/
people_index.htm # P.-A. Buffat
"'J.M. Cowley, Diffraction Physics
(North Holland, 1975)
"'E. Hecht, Optics
(Addison-Wesley, 1998)
Bibliographie II - Sites Web
! Général microscopie
" http://micro.magnet.fsu.edu/primer/
" http://www.microscopy-uk.org.uk/primer/*
! Général TEM
" http://www.matter.org.uk/
" http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/
! Général SEM
" http://www.wartburg.edu/biology/SEMweb/
! Sites commerciaux
" Microscopes
$ http://www.smt.zeiss.com
$ http://www.jeol.com
$ http://www.feicompany.com
$ http://www.hitachi-science.co.jp/0201micro_e.htm
" Techniques d’analyse
$ http://www.x-raymicroanalysis.com
$ http://www.ebsd.com
$ http://www.gatan.com