La spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) est une technique puissante souvent utilisée en microscopie électronique à transmission (TEM) pour analyser la perte d’énergie des électrons lorsqu’ils interagissent avec un échantillon. La technique permet d’obtenir des informations sur la composition chimique, la liaison et la structure électronique des matériaux à l’échelle nanométrique. Voici un aperçu de son fonctionnement et de ses principales applications :
Fonctionnement de l’EELS en TEM :
- Interaction du faisceau d’électrons : Lorsqu’un faisceau d’électrons à haute énergie traverse un échantillon, certains électrons perdent de l’énergie en raison des interactions avec les atomes de l’échantillon. Ces interactions peuvent provoquer divers processus, comme l’excitation des électrons du niveau fondamental vers des états d’énergie plus élevés ou l’excitation des oscillations collectives des électrons (plasmons).
- Détection de la perte d’énergie : Après avoir traversé l’échantillon, les électrons sont analysés dans un spectromètre qui mesure la quantité d’énergie perdue par chaque électron. Cela donne un spectre de perte d’énergie, qui constitue la donnée principale de l’EELS.
- Spectre de perte d’énergie : Le spectre de perte d’énergie contient des caractéristiques correspondant à différents types de transitions électroniques. Par exemple :
- Pics de plasmon : Indiquent les excitations collectives du gaz d’électrons dans les métaux et les semi-conducteurs.
- Bords d’ionisation : Correspondent à des transitions où les électrons sont excités depuis des orbitales atomiques internes (excitation de niveau fondamental). Ces bords sont très utiles pour l’identification élémentaire et l’analyse chimique.
- Structure fine : La structure fine dans le spectre peut fournir des informations détaillées sur l’environnement de liaison, les états d’oxydation et la structure électronique de l’échantillon.
Principales applications :
- Analyse élémentaire : L’EELS permet de déterminer la composition élémentaire, chaque élément ayant un bord d’ionisation unique.
- Liaisons chimiques et états d’oxydation : La structure fine observée dans le spectre peut révéler des informations sur la liaison chimique locale, les états d’oxydation et l’environnement de coordination des atomes dans le matériau.
- Imagerie avec sensibilité chimique : En utilisant l’EELS en conjonction avec l’imagerie TEM, il est possible de cartographier la distribution des éléments et d’étudier les variations chimiques dans l’échantillon avec une résolution à l’échelle nanométrique.
- Structure électronique : Le spectre de perte d’énergie peut également fournir des informations sur la structure électronique du matériau, telles que la densité d’états et la structure de bande dans certains matériaux.
Avantages :
- Résolution à l’échelle nanométrique : L’EELS, lorsqu’il est couplé à la TEM, permet une analyse chimique à des résolutions spatiales très élevées, allant jusqu’à l’échelle sous-nanométrique.
- Profilage en profondeur : L’EELS peut également fournir des informations sur les différentes couches ou profondeurs de l’échantillon, ce qui est particulièrement utile pour les films minces ou les matériaux complexes.
Limites :
- Sensibilité : L’EELS nécessite une dose d’électrons relativement élevée, et les matériaux trop sensibles à l’irradiation électronique peuvent subir des dommages lors de l’analyse.
- Préparation de l’échantillon : La préparation de l’échantillon peut être exigeante, en particulier pour les échantillons plus épais, car le faisceau doit traverser le matériau, ce qui peut nécessiter des spécimens très fins.
En résumé, l’EELS couplé à la TEM est une technique polyvalente et puissante pour étudier les propriétés chimiques et électroniques des matériaux à l’échelle atomique et nanométrique.