diffraction des electrons lents

$: Diffraction Des Electrons Lents$
5/13/2018 Diffraction Des Electrons Lents - slidepdf.com

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Master Génie des Matériaux, Énergétique et Environnement

Diffraction des électrons lents(DEL)



Plan de l’exposé

• Historique• Introduction• Principe•

Aspect expérimental:1-source (canon à électrons)2-détection3-conditions de diffraction4-exemple

• Applications• conclusion



Historique

La possibilité théorique de l'apparition de diffractiond‘e- est apparue en 1924 lorsque Louis de Broglie aintroduit la mécanique ondulatoire. la natureondulatoire des particules.Broglie a postulé : λ =h/p , p la quantité de mouvement, h

la constante de Planck.Les Broglie hypothèse a été confirméeexpérimentalement en 1927 lorsque Clinton Davisson etLester Germer tiré des électrons de faible énergie à un

cristallin de nickel cible et a observé que les électronsrétrodiffusés montre des diagrammes de diffraction.Ces observations coïncident avec la théorie de diffraction

pour les rayons X développée par Bragg et Laue plus tôt.



Introduction

La diffraction des électrons lents est une techniqued’étude des surfaces basée sur l’interaction d’un électron avec le potentiel périodique d’un

construction cristallin. En tant que technique dediffraction, elle est essentiellement sensible à lapériodicité du potentiel, (l’ordre à longue distance),

et peu sensible aux défauts locaux.L' analyse de surface peut être obtenue en utilisantdes électrons de faible énergie cinétique



Principe

Les électrons lents ont des énergies de 10 eV à 300 eV.

Donc la longueur d’onde de Broglie est de même ordre degrandeur que les distances interatomiquesPar suit, le libre parcours moyen compris entre 5 Å et 10 Å

le phénomène de diffraction met en jeu les plansatomiques les plus externes de la surface analysée

Le principe de DEL est la diffractionélastique d’électrons lents par la surfacecristalline d’un échantillon.



Aspect expérimental

Pression ~ 1.10-10 mb

Système ultra vide

diffractomètre standard compose d’une part d'un

canon, qui envoie un faisceau monocinétique surl'échantillon à étudier,d'un système optique, permettant de visualiserdirectement le diagramme de diffraction.



Le canon à électrons peut être décomposé en quatreétages de fonctionnalités différentes : La cathode émissive : le filament.

L’étage d’extraction.

La lentille de focalisation. Le tube de dérive.

1-source des électrons :(canon à électrons)



a) Le filament :

Usuellement, le filament a une forme en

épingle pour qu’il constitue une source quasi-ponctuellela partie courbe étant la plus chaude, c’est elle

qui émet le plus d'électrons

l'énergie E des électrons est fixée par lepotentiel Vfil du filament.

où e est la charge de l’électron



b) L'étage d'extraction

L'étage d'extraction est composé de deux électrodes : Le Wehnelt : entoure le filament par rapport auquel il estpolarisé négativement.Une ouverture circulaire, pratiquée dans le Wehnelt,permet aux électrons de s'échappe.

L'anode d'extraction A1: portée à unpotentiel par rapport au filament, assurel’extraction des électrons à travers cetteouverture.

Globalement, l'étage d'extraction formeune lentille très convergente suivied'une lentille faiblement divergente etdonne du relativement large disque

d'émission une image quasi ponctuelle



c) La lentille de focalisation

La lentille de focalisation est forméede trois électrodes (A2, A3, A4).

Les deux extrêmes (A2, A4) sontportés au même potentiel .

L'électrode A3 est polariséenégativement par rapport à A2 et A4.

d) Le tube de dériveLe tube de dérive est l’électrode constituant le bout du canon. Il est relié àla masse, pour ne pas perturber la

trajectoire des électrons diffractés par unchamp électrique. Il contient le dernierdiaphragme du canon, dont la fonction estde fixer la taille et l'angle de convergence

maximum du faisceau sur la surface.



Cette source d’électronsutilise un filament de tungstènechauffé à 1700°C.

Le courant d’électrons estcompris entre 0.01 μA et 0.1 mA.

l’énergie d’électron est cmprisentre 15 eV et 500eV.

Le diamètre du faisceaud’électrons est

0.25 mm 500 eV0.5 mm 100 eV

1mm 15 eV



2- détection :



Le système optique consiste en un écranphosphorescent associé à un ensemble de grillespolarisées. Celles-ci permettent d’éliminer lacomposante inélastique des électrons rétrodiffusés.



• Un faisceau électronique traverse

successivement une maille de chaque grille.

• les valeurs des tensions appliquées aux

chaque grilles de notre système optique sont

différent .

Dimensions en millimètres de l’optique à

trois grilles



Sur les montages commerciaux standardsfonctionnant à forts courants ~ 1 μ A , le collecteurd'électrons est un écran fluorescent hémisphériquepolarisé positivement à plusieurs kV(3 - 6 kV).

Sur les montages de type DATALEED où SPA-LEED (spot profile analysis LEED), le collecteur

d'électrons est une caméra video CCD. Ce type demontage donne accès aux profils en énergie des spotsde diffraction.

Courbes ILEED = F(Ee-)



a)Surface de cristal parfait.

• On observe un diagramme de raies intenses etfines.

Le diagramme de diffraction dépend de la surface àétudier



b) Surface de cristal réel.

• Ces surfaces présent des défauts linéaire,surfacique, où de volume (lacune interstitiel ….) on

observe des diffusions parasites.



c) Agitation thermique.

• Les effet dynamique comme exemple devibration atomique représente une diffusioninélastique ce ci traduit par la surface par

atténuation de raies de Bragg



Cohérence du faisceau d’électrons :

Si la distance entre deux centres diffuseursest inférieure à la longueur de cohérencespatiale, les ondes diffusées s’additionnent en

amplitude, et donc donnent lieu à desinterférences.

La limitation de la longueur de cohérenceprovient de deux limites techniques : ladispersion en longueur d’onde et lafocalisation du faisceau incident.



3-conditions de diffraction :

Le canon électronique à thermoémission :

• Electrons lents d’énergie 10 eV à 300 eV.

•

Le libre parcours moyen : 5 Å à 10 Å.



Condition de diffraction de Laüe d'un réseau linéaire :



et

Dans le système d'axes cristallographiquesun nœud hk quelconque du réseau réciproque estrepéré par un vecteur rhk :



Les positions des points de diffraction DEL sont

caractéristiques de la symétrie de la surface.



Cdt de Laüe d'une surface cristalline – Sphère d'Ewald.

Les domaines de diffraction 2D sont des droitesperpendiculaires à la surface réelle et passant par lesnœuds du réseau réciproque 2D : tiges de diffraction

Pour qu’il y ait diffractionsur une famille de plans(hkl), il faut que le noeud dela rangée réciproque [hkl]*

se trouve sur la sphèred’Ewald.



4-exemple :

La première image donne le réseau réciproque d’une couche de fer CC orientée selon la direction (001).Laseconde image donne le réseau réciproque de deux

plans atomiques de MgO déposés sur cette mêmesurface de fer.On remarquera que de nouvelles taches apparaissent

sur le cliché du MgO, montrant un réseau réciproquemoitié donc un réseau direct double du fer.



Différents diagrammes LEED à différentes

températures de recuits et énergies correspondantes.

947-952K / 68,5eV 50’ à T>952K / 49,7eV 3-12h à T>952K/ 68,5eV



Applications

Informations structurales qualitatives déduites del’examen de diagrammes de diffraction DEL/LEED.

Détermination de reconstructions de surface.

Détermination de la Qualité cristallographique de lasurface. Un bon rapport signal/bruit renseigne sur laqualité cristallographique de la reconstruction sur uneéchelle spatiale de l'ordre de la longueur de cohérenced'un électron , soit environ 100 Å.



Informations structurales quantitatives déduites del’examen des intensités des spots de diagrammes de

diffraction.

Détermination de la structure atomique de la surface parmodélisation des courbes d'intensité ILEED=F(Ee-(V)).

Détermination des réactions de surface, transitions dephases via l'acquisition des profils ILEED= F(E, T)…



Imagerie directe – Low Energy ElectronMicroscope LEEM : Construction d’une image réelle

de la surface par Transformée de Fourier inverse dudiagramme de diffraction DEL/LEED.



Etudes de cinétique de croissance, transformationsde phase, réactions de surface…



Conclusion

Nous avons étudié dans notre exposé leprincipe de diffraction à électrons lents(LEED), son instrumentation ,les conditions

nécessaires pour avoir cette diffraction et sesapplications.

Compte tenu de ces applications, le LEED

est devenue un outil indispensable pourl’analyse des surfaces.



Merci pour votre attention

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