L`analyse de surface rapide comme aide aux procédés

Oberflächenanalyse
Analyse de surface
Oberflächen Polysurfaces No 5/11 21
Les décharges électriques sous leurs différentes
formes jouent un rôle important dans l’industrie,
la recherche et la vie quotidienne. Des réacteurs plas-
ma sont utilisés lors des procédés de dépôts de
couches minces comme dans l’industrie des semi
conducteurs, par exemple. Un domaine de recherche
actuel dans les applications médicales vise à l’utilisa-
tion des microplasmas, et des lampes de fluorescence
compactes, qui se trouvent de plus en plus souvent
dans les foyers domestiques pour la génération de
lumière. On s’en sert depuis plus de 100 ans dans les
analyses chimiques sous forme de décharges d’arc,
d’étincelles et décharges luminescentes.
La spectroscopie se base sur la propriété quantique
des atomes selon laquelle les électrons acceptent seu-
lement des niveaux d’énergies discrets. Ces niveaux
d’énergies sont spécifiques pour chaque élément. Lors
de la transition d’un niveau énergétique supérieur
vers un niveau inférieur, une émission d’énergie sous
forme de photons a lieu. Le spectre d’émission des
photons d’un élément est donc une propriété caracté-
ristique de cet élément; il peut ainsi être utilisé pour
son identification. Les méthodes spectroscopiques
tirent partie de cette propriété des atomes et des molé-
cules pour déterminer leur présence mais aussi leur
densité, dans des systèmes variés, que ce soit des
échantillons d’eau potable ou des étoiles.
De la décharge luminescente …
Les gaz sont d’habitude des non conducteurs. Pour la
production d’une décharge dans un gaz, donc assurer
le transport des porteurs de charge à travers le milieu
«gaz», non conducteur, il faut appliquer un champ
électrique suffisamment fort. Ainsi, la réduction du
nombre de porteurs de charge libres perdus lors des
processus de recombinaison, peut être compensée par
les processus d’ionisation dans le champ électrique.
Les décharges de gaz peuvent prendre des formes
multiples, on peut mentionner la décharge Corona, la
décharge luminescente normale et anormale, ainsi
que la décharge d’arc.
La spectroscopie à décharge luminescente analy-
tique (SDL) utilise la décharge anormale, car celle-ci
offre une densité de puissance assez élevée pour pul-
vériser («sputtering») le matériau à analyser et produi-
re ainsi une quantité suffisante de photons permettant
l’analyse des éléments. La décharge d’arc continue
n’est pratiquement plus utilisée aujourd’hui puisqu’el-
le est difficile à stabiliser. Dans la spectroscopie étin-
celle, cependant, on utilise la décharge d’arc pulsé
avec beaucoup de succès dans l’analyse de routine des
échantillons métalliques.
L’importance et les exigences aux propriétés des surfaces augmentent constamment dans la technique. La com-
position de la surface joue un rôle prédominant pour ses propriétés. Parmi les méthodes d’analyses des surfaces,
la spectroscopie à décharge luminescente (SDL) est une technique rapide et fiable. Ainsi on peut obtenir des pro-
fils quantitatifs des couches fonctionnelles ou des outils nitrurés en plasma.
Die Relevanz und damit das Anforderungsprofil an die Oberflächeneigenschaften nehmen in der Technik bekanntlich stetig zu.
Die Zusammensetzung der oberflächennahen Bereiche spielt dabei eine grosse Rolle für die Leistungsfähigkeit der Oberfläche.
Aus der Palette von verschiedenen oberflächenanalytischen Methoden sticht hier besonders die Glimmentladungsspektrosko-
pie (GD-OES) heraus. Mit diesem Verfahren können quantitative Tiefenprofile von funktionellen Randschichten oder plasmani-
trierten Werkzeugstählen rasch und genau erstellt werden.
Ing. chem. ETS Gerhard
Tschopp
Dr. rer. nat. Marcel Baak
Dipl. Physikerin Elisa Barisone
Berner Fachhochschule
Quellgasse 21
2501 Bienne
Tél. [phone]
Fax [phone]
[email protected]
www.ti.bfh.ch
Dr. rer. nat. Thomas Nelis
CURF Jean François
Champollion
Place de Verdun
F-81000 Albi
L’analyse de surface rapide comme
aide aux procédés de dépôt
Gerhard Tschopp, Marcel Baak, Elisa Barisone et Thomas Nelis
Fig. 1: Représentation schématique
d’une décharge luminescente.
Fig.2: Photo et représentation schématique
d’une source de décharge d’après «Grimm».

Analyse de surface
Oberflächenanalyse
22 Oberflächen Polysurfaces No 5/11
Pour comprendre le succès de la spectroscopie de
décharge luminescente, il faut inévitablement s’occu-
per de la géométrie de cette décharge. Quant on obser-
ve l’espace entre les deux électrodes d’un tube à
décharge simple avec deux électrodes coplanaires, on
constate une interaction intéressante des régions
claires et sombres, ce qui est typique de toutes les
décharges luminescentes (fig. 1). On observe essen-
tiellement deux régions lumineuses, séparées spatia-
lement: la lueur négative (B), à proximité de la catho-
de (négative), et la colonne positive (C) qui occupe
l’espace restant entre la lumière négative et l’anode
(positive). Chacune de ces deux régions est entourée
de régions sombres. La colonne positive joue un rôle
primordial dans la génération de la lumière dans les
tubes fluorescents. Cependant, elle ne nous intéresse
pas dans la spectroscopie analytique. Pour la SDL la
région à proximité de la cathode est la plus importan-
te, (A: gaine cathodique; B: lueur négative) car le
matériau à analyser est utilisé comme cathode de la
décharge.
Les électrons libérés à la surface cathodique sont
accélérés vers l’anode par le champ électrique; ils
gagnent ainsi de l’énergie cinétique. Cette énergie
peut être transmise à des atomes du gaz environnant
par des chocs inélastiques. Puisque les chocs sont par-
tiellement ionisants, il se forme de nouveau porteurs
de charges libres: des électrons et des ions. Les élec-
trons sont accélérés vers l’anode, les ions en direction
de la cathode, produisant davantage de chocs ioni-
sants. Du fait de cet effet d’avalanche, la densité des
porteurs de charges libres augmente. Le gaz initiale-
ment non conducteur devient conducteur: nous avons
généré un plasma – à savoir un mélange d’atomes de
gaz neutres et de porteurs de charges libres.
A l’intérieur d’un conducteur le champ électrique
est nul, car chaque champ électrique conduit à un
déplacement des porteurs de charges qui tendent à
annuler le champ électrique externe. Sans entrer dans
les détails fascinants de la physique du plasma, on
peut donc conclure que le champ électrique, provo-
qué par la différence de potentiel entre cathode (néga-
tive) et anode (positive), se limite aux régions spa-
tiales dans lesquelles la densité des porteurs des
charges est faible. Ceci explique la chute cathodique
(A dans la fig. 1) dans la région entre la cathode et la
colonne négative. Dans cette petite région on a un
champ électrique fort, les électrons sont repoussés par
la cathode, les ions accélérés vers la cathode. Dans la
lueur négative, la densité des porteurs des charges est
grande, donc le champ électrique est absent. Les élec-
trons perdent leur énergie cinétique par des chocs et
contribuent ainsi à la génération de la lueur caracté-
ristique.
… à la décharge de Grimm
Le tube à décharge selon Grimm (fig. 2) possède un
arrangement des électrodes simple mais génial.
L’échantillon à analyser forme la cathode. La surface
doit donc être plane. L’anode est formée par un tube
en cuivre, placé directement en face de la surface de
l’échantillon. Le diamètre interne du tube anodique
varie entre 2 et 8 mm, selon l’application.
La distance entre la surface de l’échantillon plan
(d dans la fig. 2) et le tube anodique est d’environ 150
µm. D’ne pression gazeuse de 2 à 10 hPa le produit p*d
est assez petit pour éviter une décharge dans cet espa-
ce. Le champ électrique est en effet important, l’accé-
lération des porteurs de charge est donc grande. Le
nombre de chocs est cependant trop faible, pour pro-
voquer une avalanche de la densité des porteurs de
charges sur cette petite distance. La décharge est donc
limitée à l’intérieur du tube anodique. La surface
cathodique active est limitée; les conditions pour une
décharge luminescente anormale sont idéales.
La lumière négative, un plasma, se développe
donc à l’intérieur du tube anodique. Comme men-
tionné, cette région n’est pas soumise à un champ
électrique. Il se forme donc une situation qui res-
semble fortement à celui d’un condensateur à
plaques. On oppose deux surfaces conductrices qui se
trouvent à des potentiels électriques très différents.
Dans l’espace intermédiaire se forme la chute catho-
dique (D dans la fig. 2), dans laquelle les électrons et
les ions sont accélérés. Cet espace a une profondeur
de 200 à 400 µm. La différence principale par rapport
au condensateur à plaques est le fait que le plasma est
une source d’ions. Le champ électrique enlève
constamment quelques ions du plasma, qui sont accé-
lérés en direction de la cathode, où ils pulvérisent du
matériel de la surface cathodique. En choisissant bien
la pression gazeuse, on peut ajuster la densité des por-
teurs de charge dans le plasma de façon à ce que la
Fig. 3: Acier 16MnCr5 nitrocarburé. Fig. 4: Surface d’un acier revêtu avec du chrome et enrichi en azote.

Oberflächenanalyse
Analyse de surface
Oberflächen Polysurfaces No 5/11 23
densité du courant d’ions devienne homogène. On
obtient ainsi un cratère plan. Ainsi les conditions pour
une analyse en profondeur réussie sont données.
Applications
Nitrocarburation/Durcir
La nitrocarburation est un procédé thermochimique
pour enrichir une couche superficielle d’un matériau
avec de l’azote et du carbone. Il en résulte une couche
résistant à l’usure et à la corrosion, formée d’une
couche de combinaison et de diffusion. On peut visua-
liser ces deux dernières couches de façon optimale
avec l’analyse SDL, en complément à une microgra-
phie. Ainsi on peut parfaitement montrer le profil de
concentration des éléments N et C (courbes bleue et
orange dans la fig. 3), ce qui permet de juger de la qua-
lité de la couche de nitrocarburation.
Revêtement
Un autre exemple montre un traitement thermochi-
mique d’un acier, dans lequel la couche de chrome est
en plus enrichie avec de l’azote. Pour connaitre rapi-
dement la composition quantitative de la couche
superficielle ainsi que son épaisseur, la méthode SDL
est à nouveau idéale (fig. 4). n