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Diffraction d'électrons (LEED et RHEED)
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Principe de la diffraction des électrons lents dans la géométrie du montage utilisé au laboratoire. Un faisceau d'électrons dont l'énergie peut augmenter jusqu'à une centaine d'électronvolts arrive sous une incidence de 45° sur l'échantillon. Les électrons diffractés sont ensuite accélérés pour pouvoir exciter un écran fluorescent. L'image est ensuite enregistrée à l'aide d'une caméra CCD.

La diffraction d'électrons lents (LEED : Low Energy Electron Diffraction) est une technique qui permet d'étudier la structure et la symétrie des surfaces.

Cette technique repose sur la nature ondulatoire des électrons et sur la forte interaction de ceux-ci avec la matière. L' analyse de surface pgut &dcarc;tre obtenue en utilisant des électrons de faible énergie cinétique (50 eV < E < 100 eV) qui ont un libre parcours moyen ou distance moyenne parcourue entre deux diffusions inélastiques inférieure à 1 nanomètre.

La figure ci-dessous schématise le principe de la diffraction des électrons lents. Dans l'espace réciproque, la condition de diffraction est graphiquement représentée par la construction de la sphère d'Ewald. La diffraction a lieu quand la sphère de rayon k = 2π/λ intercepte un noeud du réseau réciproque du cristal. Le cliché de diffraction obtenu permet alors de visualiser le réseau réciproque de la surface de l'échantillon étudié.

On peut également utiliser des électrons très énergétiques (E > 1 keV), c'est le cas de la méthode RHEED (Reflexion High Energy Electron Diffraction). Compte tenu de la valeur plus élevée du libre parcours moyen, il est alors nécessaire de travailler en incidence rasante pour avoir uniquement accès à la structure des premiers plans atomiques de surface. Notons que la diffraction RHEED est devenue un outil indispensable pour suivre l'évolution de la croissance de films minces en temps réel.

 

Géométrie de la diffraction des électrons rapides en incidence rasante dans l'espace réel (a) et dans l'espace réciproque (b).

Diffraction d'électrons rapides sous incidence rasante : RHEED

Dans une expérience de diffraction RHEED, les électrons arrivent sous une incidence de 1° à 4°. L’énergie du faisceau primaire est de l'ordre de 30 keV. Les électrons diffractés font fluorescer un écran et le cliché peut ensuite être numérisé à l'aide d'une caméra CCD. A une telle énergie la section efficace de diffusion élastique atomique est bien plus grande dans la direction de propagation (phénomène de forward scattering).

La sensibilité de surface est obtenue en adoptant une géométrie en incidence rasante. Dans ce cas, seuls les électrons qui interagissent avec la surface (environ 1 nm) subissent des chocs élastiques. Ils sont à l’origine de la figure de diffraction. La diffusion inélastique des électrons transforme le faisceau incident, parallèle et monocinétique en un faisceau divergent et quasi-monocinétique. La profondeur sondée atteint alors environ 100 nanomètres. La diffusion élastique de ces électrons est à l’origine des lignes de Kikuchi, qui sont la signature d’un matériau bien cristallisé. Les électrons diffusés totalement inélastiquement contribuent au fond continu.

 

Clichés schématiques de diffraction RHEED d'une surface parfaitement lisse dans les conditions de diffraction idéales (a), d'une surface lisse dans les conditions de diffraction réelles (b), d'une surface rugueuse (c), d'une surface texturée (d).

La construction géométrique dans l'espace réciproque diffère de celle du LEED par rapport à la position du faisceau incident et à l’énergie des électrons incidents. Théoriquement, l’intersection des tiges avec la sphère d’Ewald devrait former des points. Cependant le rayon de celle-ci est très grand pour l’énergie considérée par rapport à l’inverse des distances interatomiques. Ceci conjugué à la dispersion en angle et en énergie du faisceau d’électrons ainsi qu’à la qualité cristalline imparfaite de la surface, fait que la figure de diffraction apparaît sous forme de tiges. Ce raisonnement est vrai pour une surface parfaitement plane. La rugosité amène les électrons à traverser les îlots de matière et crée un diagramme de taches. Si la surface est plane et présente une structure texturée perpendiculairement à la surface, des anneaux centrés sur la tache spéculaire apparaissent (voir clichés ci-dessous).

 

Maj : 11/09/2015 (193)

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