Sonde atomique tomographique
La sonde atomique tomographique est un microscope analytique tridimensionnel de haute résolution qui permet d'observer la distribution spatiale des atomes dans un matériau.
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Microscope - Science des matériaux - Spectrométrie de masse - Chimie analytique - Tomographie
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La sonde atomique tomographique est un microscope analytique tridimensionnel de haute résolution qui permet d'observer la distribution spatiale des atomes dans un matériau. Son principe de fonctionnement repose sur l'évaporation par effet de champ des atomes de surface d'un échantillon. Cette technique d'analyse entre dans la catégorie plus vaste des microscopes à effet de champ (field emission microscope), elle consiste à évaporer sous forme d'ions les atomes de la surface d'un échantillon par un champ électrique particulièrement intense. L'échantillon est alors évaporé atome par atome, couche atomique par couche atomique. Les atomes évaporés sont collectés par un détecteur d'ions qui sert à connaitre la nature chimique de chaque atome par spectrométrie de masse à temps de vol et de déterminer leur position d'origine dans le matériau. On obtient par conséquent une cartographie de la distribution des atomes dans l'échantillon avec une résolution atomique.
Échantillon
Il faut créer un champ électrique suffisamment puissant pour ioniser des atomes et les arracher. La manière la plus simple consiste à utiliser l'effet de pointe : quand on établit une différence de potentiel entre un objet et une paroi, le champ électrique à la surface de l'objet sera d'autant plus puissant que le rayon de courbure est faible (c'est d'ailleurs pour cette raison que les paratonnerres sont pointus).
Il faut par conséquent que l'échantillon soit fait d'un matériau conducteur (fréquemment un métal), et y tailler une pointe la plus fine envisageable (quelques dizaines de nanomètres, soit environs 0, 000 01 mm). Ceci se fait fréquemment par dissolution électrolytique (Grossièrement ; c'est le principe d'une attaque acide).
Résultats
On obtient une «photographie» des impacts des ions, ainsi qu'à partir de la position des impacts, on en déduit la trajectoire de l'ion par conséquent son point de départ.
La première utilisation a consisté à faire s'adsorber (fixer) des atomes d'argon sur la surface. C'était ces atomes qui étaient ionisés et arrachés. On a pu par conséquent savoir à quel lieu de la surface les ions étaient adsorbés, et par conséquent avoir accès à la structure de la surface, ou bien confirmer le modèle d'adsorption.
En faisant s'arracher les atomes du cristal eux-mêmes, on peut recomposer la structure du cristal, et si un joint de grain ou une dislocation se trouve dans la pointe, on peut recomposer la structure du défaut. La préparation d'une pointe nanométrique contenant un joint ou une dislocation est particulièrement aléatoire, et nécessite énormément de soin. On contrôle la position du défaut en cours d'élaboration par microscopie électronique en transmission (MET)
Un progrès important est intervenu en mesurant le temps de vol des ions, car cela sert à plus l'analyse chimique des ions (spectromètrie de masse) — on parle alors de sonde atomique tomographique[1] (tomographic atom probe, TAP, ou three dimensional atom probe, 3DAP). Il est désormais envisageable de savoir quel type d'atome est présent à tel lieu du cristal, ce qui sert à voir par exemple la ségrégation d'atomes étrangers aux joints de grain ainsi qu'autour d'une dislocation (atmosphère de Cottrell). Du fait que de nombreux ions sont «perdus» en route, on n'a une résolution spatiale limitée et les résultats sont «statistiques», il faut par conséquent que les atomes étrangers soient en proportion «notable», et on ne peut pas voir par exemple les lacunes (atome manquant dans le cristal).
Cette technique sert à composer une image à trois dimensions du cristal et de ses défauts par ordinateur. C'est une image de synthèse et non une image enregistrée.
Bibliographie
- M. K. Miller et al., Atom Probe Field Ion Microscopy, Clarendon Press, 1996, reed 2006, ISBN 0-19-851387-9
Notes et références
- tomographie : procédé permettant d'avoir des coupes de l'objet ; dans notre cas, recomposition d'une image 3D sert à faire des coupes 2D
Liens externes
- Le site du Groupe de Physique des Matériaux de l'université de Rouen
- Publication de l'Université de Rouen/CNRS sur la visualisation d'un nuage de Cottrell
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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
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