A Méthodes d'analyse chimique des surfaces

1 Les spectroscopies d'électrons

Dans un solide, le libre parcours moyen des électrons est faible : par exemple, des électrons d'énergie 1 keV vont parcourir une dizaine d'Å environ dans la matière. C'est pourquoi les spectroscopies d'électrons sont utilisées pour analyser les surfaces.

De manière générale, les électrons éjectés ont une énergie qui dépend de la nature chimique des atomes de la surface.

1.1 La spectroscopie Auger ou AES^8.2

Cette méthode consiste à envoyer sur la surface un faisceau d'électrons d'énergie 1 keV ou plus. On récupère les électrons émis, ainsi que des électrons éjectés, que l'on trie en énergie.

Lors d'une collision d'un électron avec un atome de la surface, un électron des niveaux de cœur est éjecté. S'ensuit une réorganisation du cortège électronique, l'énergie dégagée étant en général dispersée par émission d'un électron des couches externes, avec une énergie bien définie, chaque atome possédant plusieurs transitions Auger caractéristiques.

On trace donc le spectre en énergie des électrons émis (le nombre d'électrons détectés en fonction de l'énergie), qui permet d'identifier les éléments présents à la surface. Tous les éléments chimiques possédant des transitions Auger dans cette gamme, ils sont tous détectables.

Cependant, aux électrons primaires issus d'une collision d'un électron incident avec un atome, ayant une énergie bien définie, s'ajoutent les électrons secondaires, qui ont subi plusieurs collisions, et qui forment un fond continu sur le spectre. Ainsi, la sensibilité de cette technique n'est que d'1 % de monocouche d'un contaminant.

Un autre inconvénient de cette méthode est qu'elle a une fâcheuse tendance à charger les matériaux isolants.

1.2 La spectroscopie de photoémission ou XPS^8.3

Cette technique consiste à utiliser, non une source d'électrons, mais une source monochromatique de rayons X. Les photons émis arrachent des électrons par effet photoélectrique, et on trace le spectre en énergie de ces électrons. Celui-ci présente des pics pour des énergies :

$$E = \hbar\omega - E_{liaison},$$ (8.1)

les énergies de liaison, surtout des niveaux de cœur, étant bien connues pour chaque élément.

Cette technique possède à peu près la même sensibilité que l'AES, mais sans charger les matériaux isolants.

2 La spectroscopie de masse

En volume, la spectroscopie de masse est une méthode d'analyse très fine des constituants d'un matériau.

Elle peut également être utilisée en surface : on arrache des atomes de celle-ci en la bombardant d'ions, et on les analyse avec un spectromètre de masse tout ce qu'il y a de plus courant. Cette méthode est appelée SIMS pour Secondary Ion Mass Spectroscopy, et possède une très grande sensibilité : elle permet de détecter une concentration de surface de $10^{-6}$ monocouche d'un contaminant. Elle permet également de détecter la présence de dihydrogène, ce que les autres méthodes ne permettent pas.

Cependant, les différents éléments ne sont pas tous arrachés de la surface dans la même proportion : cette méthode permet une excellente détection, mais pas de déterminer les concentrations en surface. De plus, on notera qu'il s'agit d'une méthode destructive, ne pouvant donc pas être utilisée dans toutes les circonstances.

Notes

... AES^8.2

pour Auger Electron Spectroscopy

... XPS^8.3

pour X-ray Photoemission Spectroscopy