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Analyse et technologie des surfaces
(joints de grains, de phases) ne font pas l’objet central du présent chapitre.
Néanmoins, si de telles interfaces sont proches et parallèles à une surface comme
dans le cas d’une couche mince sur un substrat, elles sont accessibles aux méthodes
d’analyse traitées ici.
Tous les solides ont une composition chimique superficielle qui est influencée
par leur interaction avec l’environnement et l’histoire de leur préparation. Pour le
développement d’un nouveau matériau, il est essentiel de contrôler et d’analyser la
composition en tenant compte des étapes précédentes pour séparer artefact (contamination) et composition/structure chimique. Ceux qui ont déjà utilisé un microscope électronique savent que l’échantillon introduit dans le vide se noircit (voir
aussi vol. 3 du Traité des Matériaux). Ce phénomène est dû à l’interaction du faisceau électronique avec une contamination de surface adsorbée dans l’atmosphère
ambiante. L’énergie des électrons projetés sur la surface est suffisante pour dissocier quelques molécules adsorbés à la surface et produire un dépôt en carbone et
oxygène. Un phénomène du même type se produit lors d’une analyse de surface. Or
la sensibilité de ces méthodes est telle qu’on ne détecte et n’observe pas seulement
la surface, mais aussi (et parfois surtout) des impuretés adsorbées. Le signal détecté
est une fonction du nombre de particules secondaires émises par l’échantillon. Ce
nombre est par définition sensiblement plus petit que le nombre de particules dans
le volume, car il s’agit d’un problème quasiment bidimensionnel. La zone analysée
varie typiquement entre une fraction de nanomètre et une dizaine de nanomètres.
Dans le cas où on pulvérise localement l’échantillon, on peut toutefois accéder à des
couches plus épaisses. Le but de cet ouvrage et notre défi est de déterminer avec la
meilleure précision possible la nature des atomes et molécules d’abord qualitativement, ensuite quantitativement et ceci pas seulement pour l’endroit «ponctuel»
mais aussi comme distribution latérale.
On sait que la configuration des atomes et des molécules superficiels dépend
de l’orientation de la surface, et on imagine bien qu’un certain nombre de qualités et
de propriétés, la réactivité notamment, vont dépendre de l’orientation de la surface.
De plus, suivant l’orientation des grains et de joints de grains, les cinétiques des
réactions peuvent être différentes.
Une surface échange des atomes ou molécules avec son environnent selon la
théorie cinétique des gaz développée par D. Bernoulli. Selon lui, la pression p (en
Pa) d’un gaz parfait est une fonction de la densité moléculaire n (en 1/m 3 ) et de la
température T (en K) selon
(1.1)
où k B est la constante de Boltzmann. L’équation (1.1) nous permet de calculer le
nombre de molécules qui arrivent par seconde sur une surface. Sachant qu’une
monocouche de molécules contient approximativement 10 19 particules/m 2 , on
obtient une relation entre le nombre de monocouches adsorbées n' sur une surface
et la pression dans une enceinte. Supposons que toutes les molécules arrivant en
p
nk B T
=
Analyse et technologie des surfaces
(joints de grains, de phases) ne font pas l’objet central du présent chapitre.
Néanmoins, si de telles interfaces sont proches et parallèles à une surface comme
dans le cas d’une couche mince sur un substrat, elles sont accessibles aux méthodes
d’analyse traitées ici.
Tous les solides ont une composition chimique superficielle qui est influencée
par leur interaction avec l’environnement et l’histoire de leur préparation. Pour le
développement d’un nouveau matériau, il est essentiel de contrôler et d’analyser la
composition en tenant compte des étapes précédentes pour séparer artefact (contamination) et composition/structure chimique. Ceux qui ont déjà utilisé un microscope électronique savent que l’échantillon introduit dans le vide se noircit (voir
aussi vol. 3 du Traité des Matériaux). Ce phénomène est dû à l’interaction du faisceau électronique avec une contamination de surface adsorbée dans l’atmosphère
ambiante. L’énergie des électrons projetés sur la surface est suffisante pour dissocier quelques molécules adsorbés à la surface et produire un dépôt en carbone et
oxygène. Un phénomène du même type se produit lors d’une analyse de surface. Or
la sensibilité de ces méthodes est telle qu’on ne détecte et n’observe pas seulement
la surface, mais aussi (et parfois surtout) des impuretés adsorbées. Le signal détecté
est une fonction du nombre de particules secondaires émises par l’échantillon. Ce
nombre est par définition sensiblement plus petit que le nombre de particules dans
le volume, car il s’agit d’un problème quasiment bidimensionnel. La zone analysée
varie typiquement entre une fraction de nanomètre et une dizaine de nanomètres.
Dans le cas où on pulvérise localement l’échantillon, on peut toutefois accéder à des
couches plus épaisses. Le but de cet ouvrage et notre défi est de déterminer avec la
meilleure précision possible la nature des atomes et molécules d’abord qualitativement, ensuite quantitativement et ceci pas seulement pour l’endroit «ponctuel»
mais aussi comme distribution latérale.
On sait que la configuration des atomes et des molécules superficiels dépend
de l’orientation de la surface, et on imagine bien qu’un certain nombre de qualités et
de propriétés, la réactivité notamment, vont dépendre de l’orientation de la surface.
De plus, suivant l’orientation des grains et de joints de grains, les cinétiques des
réactions peuvent être différentes.
Une surface échange des atomes ou molécules avec son environnent selon la
théorie cinétique des gaz développée par D. Bernoulli. Selon lui, la pression p (en
Pa) d’un gaz parfait est une fonction de la densité moléculaire n (en 1/m 3 ) et de la
température T (en K) selon
(1.1)
où k B est la constante de Boltzmann. L’équation (1.1) nous permet de calculer le
nombre de molécules qui arrivent par seconde sur une surface. Sachant qu’une
monocouche de molécules contient approximativement 10 19 particules/m 2 , on
obtient une relation entre le nombre de monocouches adsorbées n' sur une surface
et la pression dans une enceinte. Supposons que toutes les molécules arrivant en
p
nk B T
=