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Principe de la spectroscopie XPS
La spectroscopie de photoélectrons par rayons X, ou X-ray Photoélectron Spectroscopy(XPS), est une technique de caractérisation de surface non destructive qui repose sur l‟utilisation de l‟effet photoélectrique découvert par H. Hertz en 1887, puis expliqué par A. Einstein en 1905[2]. La Spectrométrie Photo Electronique fut développée dans les années 50 par K. Siegbahn, ce qui lui valut d‟être récompensé par un prix Nobel de physique en 1981. La mesure par XPS repose sur l‟étude de la distribution en énergie cinétique des photoélectrons éjectés d‟un échantillon sous l‟impact de rayons X d‟énergie hν connue. La variation de l‟énergie de liaison des photoélectrons en fonction de l‟environnement chimique des atomes dont ils sont issus est à l‟origine du principal intérêt de cette technique. En effet, cette méthodologie permet de déterminer la structure électronique et l’environnement chimique des atomes présents dans l‟échantillon, mais aussi de quantifier les éléments présents dans les différentes couches, de mesurer l‟épaisseur des couches nanométriques en surface, et même de réaliser des reconstructions de profil chimique lorsque l‟instrument permet d‟accéder à l‟information angulaire. Cette technique de caractérisation est adaptée à l‟étude surfacique de l‟échantillon puisque le libre parcours moyen des photoélectrons émis dans la matière est très faible (i.e. de l‟ordre du nanomètre). Ainsi, la profondeur d‟analyse ne dépasse pas 10 nm. La spectroscopie de photoélectrons par rayons X repose sur le principe de la conservation de l‟énergie du photon incident et s‟exprime comme suit :
ℎ ?= ??+ ?l+ ???ℎ (1)
ℎ ? : l‟énergie du photon incident (h étant la constante de Planck et ν la fréquence du photon incident)
?? : L‟énergie cinétique du photoélectron
?? : L‟énergie de liaison du niveau de cœur considéré
???ℎ : le travail de sortie de l‟échantillon .
L’information, contenue dans les spectres XPS, permet de connaître la composition et l’état chimique des surfaces étudiées.
Dispositif expérimental
Analyseur hémisphérique permet de déterminer l‟énergie cinétique du photoélectron et d‟en déduire son énergie de liaison.
Le schéma de principe comporte les éléments suivants : (1) source X, (2) échantillon,(3) système de focalisation électronique, (4) analyseur, (5) détecteur à électrons (Channeltrons) ; (6) système d’acquisition et de traitement des données. Le système de focalisation électronique est constitué de lentilles qui agissent comme un filtre passe-haut, seuls les électrons d‟énergie supérieure à une énergie fixée peuvent passer, ils sont ensuite focalisés au niveau L’analyseur (4) Constitué de deux électrodes hémisphériques, qui permet une sélection en énergie des photoélectrons. La différence de potentiel entre ces deux électrodes définit l’énergie de passage des électrons. Seuls les électrons ayant une énergie cinétique comprise dans un intervalle d’énergie centré sur cette énergie de passage arriveront au détecteur. Cette partie agit comme un filtre passe bande. A la sortie de l’analyseur se trouve un détecteur multiplicateur d‟électrons de type channeltron qui permet d‟amplifier le courant d‟électrons et d‟utiliser un mode de comptage en impulsion.
Caractérisation par spectroscopie XPS
En XPS, les photons incidents possèdent généralement une énergie qui varie entre 1 à 2keV. Source fréquemment utilisée, par exemple celle du magnésium (Mg) qui émet un rayonnement de 1253.6 eV et l‟aluminium (Al) qui émet un rayonnement de 1486.6 eV. L’énergie relativement élevée du rayonnement incident provoque l’émission d’électron des niveaux d‟énergie de cœur et de la bande de valence.
Spectres obtenus
Les résultats de cette technique sont obtenus sous forme des spectres pour caractériser une épaisseur variant de 1 nm à 10 nm selon les conditions expérimentales, on peut savoir à partir de ces spectres [ ] :
➠ Les éléments présents (sauf l‟hydrogène)
➠ Le pourcentage atomique de chaque élément,
➠ La nature et quantification des liaisons chimiques entre ces éléments.
➠ La cartographie chimique avec une bonne résolution.
Analyse élémentaire (désignation des pics XPS
Les spectres des photoélectrons sont représentés directement en énergie de liaison permettant l’identification des éléments présents en surface du matériau.
Profondeur d’échappement des électrons
Un photoélectron peut perdre une partie de son énergie s’il subit des chocs inélastiques avant de sortir de la surface. Dès lors, il n’est plus possible de déterminer son état quantique d’origine par un bilan d’énergie. La distance moyenne parcourue par un électron entre deux collisions, dans un solide, dépend de son énergie. Pour les photoélectrons, cette distance appelée libre parcours moyen λ, vaut environ 0,5 à 1,5 nm.
Microscopie a effet tunnel
principe de la STM
Le principe de la STM repose sur un effet quantique : l‟effet tunnel. Cet effet a été découvert en 1928 et mis en évidence dans des structures de type condensateur sandwich plan « métalisolant- métal ». L‟isolant peut être le vide, l‟air ou un liquide quelconque. Si on approche une pointe métallique a une distance suffisamment faible d‟un échantillon conducteur et si on applique une différence de potentiel entre la pointe et l‟échantillon, les électrons peuvent passer par effet tunnel de l‟échantillon à la pointe et engendre une intensité de courant mesurable. En physique classique, une particule possédant une énergie E ne peut pas franchir une barrière de potentiel dont la hauteur V supérieure à son énergie (voir figure -a).[ ] En mécanique quantique, on décrit une particule par une énergie E dont la fonction d‟onde ψ(dualité onde corpuscule) est sinusoïdale à l‟intérieur du matériau et exponentiellement décroissante à la sortie de ce dernier (dans l‟air ou l‟isolant). Ainsi même dans le cas où E est inférieure à V la probabilité de retrouver la particule de l‟autre côté de la barrière n‟est pas nulle , c‟est ce phénomène qu‟on appelle « effet tunnel ».
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I-Principe général de caractérisation des matériaux
II-1-1-Principe de la spectroscopie XPS
II-1-2-Dispositif expérimental
II-1-3-Caractérisation par spectroscopie XPS
II-1-4-Profondeur d’échappement des électrons
II-2-Microscopie a effet tunnel
II-2-1-principe de la STM
II-2-2-dispositif expérimental
II-3-Spectroscopie Raman
II-3-1 Principe de la spectroscopie Raman
II-3-2-dispositif expérimental
II-4-Diffraction des électrons lents(LEED)
II-4-1 Définition
II-4-1-1- Principe et appareillage
II-4-1-2- Obtention d’un cliché de diffraction LEED
II-4-1-3 Informations obtenues par la technique LEED
I-Propriétés du ZnO
I-1-Structure cristalline
I-2 -Propriétés optique et luminescence
I-3- Structure électronique de bande
I- 4-Propriétés électriques
II- Applications du ZnO
II-1-Les Cellules solaires
I-Définition d’une couche mince
II-Techniques de Caractérisation des Couches Minces d’Oxyde de Zinc
II-1- ZnO massif caractérisé par la spectroscopie photo électronique X(XPS)
II-2-ZnO caractérisé par la microscopie a effet tunnel
II-3- ZnO caractérisé par la spectroscopie Raman
II-4- ZnO caractérisé par la diffraction des électrons lents(LEED)
III-Etudes comparative des différentes techniques de caractérisation
III-1-Avantage et inconvénient de la spectrométrie photo électronique X(XPS)
III-2-Avantage et inconvénient de la microscopie à effet tunnel
III-3–Avantage et inconvénient de la spectroscopie Raman
III- 4-avantage et inconvénient de la diffraction des électrons lents(LEED)
Conclusion Générale
BIBLIOGRAPHIE
