Simulation du parcours des électrons élastiques dans les matériaux et structures. Application à la spectroscopie du pic élastique multi-modes MM-EPES

Simulation of the path of elastic electrons in materials and structures. Application to spectroscopy of the MM-EPES multi-mode elastic peak

• Auteur / Autrice : Samir Chelda
• Direction : Luc Bideux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et Composants pour l'Electronique
• Date : Soutenance le 25/11/2010
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : LAboratoire des Sciences et Matériaux pour l’Electronique, et d’Automatique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences et matériaux pour l'électronique et d'automatique
• Jury : Président / Présidente : Christian Jardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Gergely, Alain Dubus, Bernard Gruzza, Christine Robert-Goumet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Gergely, Alain Dubus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Monte-Carlo, Méthode de

Faisceaux électroniques

Spectroscopie électronique

Mots clés libres

Ultra Haut Vide (UHV)

Méthode Monte-Carlo

Elastic Peak Electron Spectroscopy (EPES)

Masque Oxyde d’Alumine (AAO)

Surface rugueuse

Structure cristalline

Excitation desurface (SEP)

Libre parcours moyen élastique (IMFP).

Ultra High Vacuum (UHV)

Monte-Carlo simulation

Elastic electron backscattering (EPES)

Surface roughness

Low index single crystals

Surface structure

Surface excitation parameter (SEP)

Inelastic mean free path (IMPF)

Résumé

La spectroscopie EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy) permet de mesurer le pourcentage he d’électrons rétrodiffusés élastiquement par la surface d’un échantillon soumis à un bombardement électronique. C’est une méthode non destructive et extrêmement sensible à la surface. L'objectif de ce travail est de modéliser le cheminement des électrons élastiques dans la matière grâce à une simulation informatique basée sur la méthode Monte Carlo. Cette simulation contribue de manière essentielle à la connaissance et à l'interprétation des résultats expérimentaux obtenus par spectroscopie EPES. Nous avons, de plus, adapté cette simulation à différentes surfaces transformées à l’échelle micrométrique et nanométrique. A l’aide d’une méthode originale, basée sur une description couche par couche du matériau, j’ai réalisé un programme informatique (MC1) rendant compte du cheminement des électrons élastiques dans les différentes couches du matériau. Le nombre d’électrons ressortant de la surface dépend de nombreux paramètres comme : la nature du matériau à étudier, l’énergie des électrons incidents, l’angle d’incidence, les angles de collection des analyseurs. De plus, je me suis intéressé à l’effet de la rugosité de la surface et j’ai démontré qu’elle joue un rôle déterminant sur l’intensité du pic élastique. Ensuite, grâce à l’association de la spectroscopie EPES et de la simulation Monte Carlo, j’ai déduit les modes de croissance de l’or sur substrat d’argent et de cuivre. Les effets de l’arrangement atomique et des pertes énergétiques de surfaces ont ensuite été étudiés. Pour cela, une deuxième simulation MC2 tenant compte de ces deux paramètres a été réalisée permettant d’étudier les surfaces à l’échelle nanométriques. Ces paramètres jusqu’alors non pris en compte dans notre simulation MC1, joue un rôle essentiel sur l’intensité élastique. Ensuite, j’ai obtenu une formulation simple et exploitable pour l’interprétation des résultats obtenus par la simulation MC2 pour un analyseur RFA. Afin de valider, les différents résultats de la simulationMC2, j’ai réalisé des surfaces de silicium nanostructurées, à l’aide de masques d’oxyde d’alumine réalisés par voie électrochimique. J’ai pu créer des nano-pores par bombardement ionique sous ultravide sur des surfaces de silicium. Afin de contrôler la morphologie de la surface, j’ai effectué de l’imagerie MEB ex-situ. La simulation Monte Carlo développée associée aux résultats EPES expérimentaux permet d’estimer la profondeur, le diamètre et la morphologie des pores sans avoir recours à d’autres techniques ex-situ.Cette simulation MC2 permet de connaître la surface étudiée à l’échelle nanométrique.

EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy) allows measuring the percentage he of elastically backscattered electrons from the surface excited by an electron beam. This is a non destructive method which is very sensitive to the surface region. The aim of this work is to model the trajectory of elastic electrons in the matter with a computer simulation based on Monte Carlo method. This simulation allows interpreting experimental results of the EPES spectroscopy. We have moreover adapted this simulation for different surfaces transformed to micrometer and nanometer scales. Using an original method, based on a description of material layer by layer, I realized a computer program (MC1) that takes into account the path of elastic electrons in different layers of material. The number of electrons emerging from the surface depends on many parameters such as: the electron primary energy, the nature of the material, the incidence angle and the collection angles of the analyzer. In addition, I was interested in the effect of surface roughness and I showed that it plays an important role in the intensity of the elastic peak. Then, through an association of the EPES and the Monte Carlo simulation results, I deduced the growth patterns of gold on silver and copper substrates. The effects of the atomic arrangement and the surface excitations were then studied. For this, a new simulation MC2 that takes into account these two parameters has been developed to study nanoscale surfaces. These parameters not previously included in our MC1simulation play a important role in the elastic intensity. Then I have got a simple formula for interpreting the results obtained by the simulation for a RFA analyzer. To validate the different results of the simulation MC2, I realized nano-structured silicon surfaces, using aluminium oxide masks. Nano-pores have been created by Ar+ ions bombardment in UHV chamber on silicon surfaces.To control the morphology of the surfaces, I realized SEM images (Techinauv Casimir) ex-situ. The Monte Carlo simulations, developed here, associated with the EPES experimental results can estimate the depth, the diameter, the morphology of pores without the help of other ex-situ techniques.