Contrôles et caractérisations des surfaces

Contrôles physico-chimiquesContrôles morphologiques des

surfaces

Contrôles physico-chimiques(voir cours Mr Jouan)

• Spectrométrie Auger (Auger electron spectroscopy), AES

• Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS

• X-Ray Photoelectron Spactroscopy , XPS

Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA

Contrôles morphologiques des surfacesMicroscopie électroniques en balayage

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Contrôles morphologiques des surfacesMicroscopie à Effet Tunnel , STM

En mécanique classique, un électron rencontrant une barrière de potentiel, ne peut la traverser s’il possède une énergie E < à celle de la barrière.

Dans une approche quantique, la fonction d’onde y associée à l’électron n’est pas nulle à l’intérieur et au-delà de la  barrière de potentiel. Les électrons ont la possibilité de franchir la barrière de potentiel lorsque la largeur de celle-ci n’est pas trop grande : c’est ce qu’on appelle l’effet tunnel. 

PRINCIPE DE L’EFFET TUNNEL

En mécanique classique, un électron rencontrant une barrière de potentiel, ne peut la traverser s’il possède une énergie E < à celle de la barrière.

Dans une approche quantique, la fonction d’onde y associée à l’électron n’est pas nulle à l’intérieur et au-delà de la  barrière de potentiel. Les électrons ont la possibilité de franchir la barrière de potentiel lorsque la largeur de celle-ci n’est pas trop grande : c’est ce qu’on appelle l’effet tunnel. 

Dans le modèle unidimensionnel où un électron incident, auquel est associée une onde YG, rencontre une barrière de potentiel U(z) de largeur d. Les solutions de l’équation de Schrödinger pour chaque région correspondent à deux ondes progressives YG et YD à gauche et à droite de la barrière, et à une onde évanescente à l’intérieur de la barrière        

Barrière de potentiel dans un modèle unidimensionnel

Si on considère deux électrodes polarisées, de travaux de sortie FG et FD, séparées par un isolant (par exemple le vide).

Les niveaux de Fermi EFG et EFD des deux électrodes se décalent en fonction de la ddp électrique appliquée V et un courant tunnel s’établit à travers la barrière de potentiel.

Lorsqu’on applique une faible tension entre les deux électrodes , la barrière de potentiel peut être modélisée par une forme trapézoïdale :  

Le courant tunnel est directement proportionnel à la différence de potentiel V et dépend exponentiellement de la distance entre les deux électrodes.

Valable pour des électrons libres et pour une faible tension V appliquée

Courant tunnel It :

Schéma de principe d'un microscope tunnel.On maintien un courant tunnel constant en asservissant la pointe

Photographie du microscope STM.L’échantillon est placé sur un tube piézo-électrique autorisant des déplacements dans les trois directions, avec des résoluticons latérales de 1/10ième d’Å et une résolution verticale (en Z) de 1/100ième d’Å permettant d’obtenir la résolution atomique.  Ce microscope est suspendu à quatre ressorts. En position abaissée, un système d'amortissement par courants de Foucault isole le microscope des perturbations vibratoires extérieures.

Image de pointe STM obtenue par microscopie à balayage électronique.

Quelques grandeurs relatives à la microscopie STM :

Barrière de potentiel U <10 V

Largeur d < 10 Å [Pour un électron d’énergie E = 2 eV la longueur de décroissance l à l’intérieur de la barrière de potentiel U, définie par l = É/Ö(2m(U-E)), vaut environ 0,14 nm]

Coefficient de transmission de l’ordre de 10-6

Lorsqu’on augmente de 0,2 nm la largeur de la barrière, T(E) décroît d’environ un facteur 10, conséquence de la décroissance exponentielle du coefficient de transmission.

Courant tunnel : 1 nA < It < 10 nA … pA

Précision de la sonde x= y= 0,1 Å, z = 0,01 Å

Utilise les pptés des céramiques piézoélectriques : 1 V -----> 10 Å

Temps d’acquisition d’une image : 120 s … <1 s

Aire explorée : 3x3 Å2 < S < 500x500 mm

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Surface de cuivre observée au microscope à effet tunnel

  This is a three dimensional picture of a graphite surface with no defects.

UHV STM of GaAs(001) Surface

Contrôles morphologiques des surfacesMicroscopie à Force Atomique, AFM

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