Contributions aux études quantitatives par spectroscopies électroniques (EPES et XPS) : Applications aux surfaces nanostructurées

Contributions to quantitative studies by electron spectroscopy (EPES & XPS) : Applications to nanostructured surfaces

• Auteur / Autrice : Mohamed Aymen Mahjoub
• Direction : Christine Robert-Goumet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Matériaux
• Date : Soutenance le 19/01/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Dagou Zeze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Robert-Goumet, Bernard Gruzza, Mohamed Belhaj, Matthieu Petit, Guillaume Monier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Pauly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie électronique

Mots clés libres

Spectroscopies électroniques

XPS

MM-EPES

Interactions électrons-matière

Fonction de correction

Analyseur hémisphérique (HSA)

Simulation Monte-Carlo

Etudes quantitatives

Microscopie MM-EPEM

Electronic spectroscopy

XPS

MM-EPES

Electron-matter interaction

Correction function

Hemispherical analyzer (HSA)

Monte-Carlo simulation

Quantitative studies

MM-EPEM microscope

Résumé

Ce travail porte sur le développement de nouvelles méthodes de caractérisation in-situ basées sur les spectroscopies électroniques XPS et MM-EPES associées à des calculs théoriques obtenus grâce à des simulations Monte-Carlo afin de réaliser des études quantitatives fines et précises. La première partie de ce travail, a été consacrée à l’analyse quantitative de signaux XPS et MM-EPES. Pour cela, dans un premier temps, la fonction de correction de l’analyseur hémisphérique (HSA) qui est une combinaison de l’aire d’analyse (A) et de la transmission (T) a été déterminée en utilisant une nouvelle méthode basée sur des images élastiques. Pour la première fois, la dépendance de A en énergie cinétique des électrons a été mise en évidence. Avec l’utilisation de cette nouvelle fonction, une méthode de caractérisation in situ basée sur la modélisation théorique des signaux XPS et MM-EPES a été développée. Cette méthode a permis d’étudier le dépôt d’un film d’or sur un substrat de silicium oxydé et a montré une grande précision dans le cas de très faibles quantités de matière déposée (< 2 nm) alors que les techniques microscopiques classiques se sont révélées inefficaces. La deuxième partie a porté sur le développement d’une nouvelle technique d’imagerie in-situ appelé MM-EPEM qui consiste à scanner la surface par un faisceau d’électrons et de collecter les électrons rétrodiffusés élastiquement afin de construire une image en intensité de la surface. Les étapes d’obtention des images MM-EPEM et les procédures d’exploitation de ces dernières ont été décrites et optimisées. Ensuite, cette technique a été utilisée pour l’étude de l’état de surface de dépôts d’or sur différents substrats. Cette technique s’avère être non destructive et très sensible aux éléments présents à la surface. Et elle permet de déterminer la cartographie chimique et la nano-organisation de la surface.

This thesis focuses on the development of new in-situ methods of characterization based on the electron spectroscopies (XPS and EPES) coupled with theoretical calculations obtained through Monte-Carlo simulations in order to perform very precise quantitative studies. The first part of this thesis was devoted to quantitative studies of XPS and MM-EPES measurements. Firstly, the correction function of a hemispherical analyzer (HSA) which is a combination of the analysis area (A) and the transmission (T) was determined using a new method based on the elastic images. For the first time, the dependence of A on the kinetic energy of electrons was highlighted. Using this function, an in-situ method based on the combination of XPS and MM-EPES modeling was setting up. This method was used to determine the organization of gold film deposed on oxidized silicon substrate. Measurements show that this method is able to determine surface parameters when the microscopy techniques do not give any information in the case of a small quantity of gold deposit (less than 2 nm). The second part of this work was directed towards developing a new generation of microscopy called MM-EPEM which is based on the detection of elastic electrons. The stages required to obtain these images are well described and optimized here. The MM-EPEM images processing was used to study gold growth on different substrates. This technique is a non-destructive method and allows the operator to construct chemical tomography and to determine the nano-organization of the surface.