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Développement des analyses chimiques par EDX en SEM et TEM

Publié le 21 mars 2022
Contact : Éric Robin
Publications : E.Robin/ResearchGate

D’importants développements sont faits pour améliorer la détection, la distribution et la quantification d’éléments chimiques dans des nanostructures analysées par spectrométrie EDX (Energy Dispersive X-ray) dans les SEM et les TEM. Ces développements sont conduits à travers trois différents projets :



Correction terms computed with the IZAC code: input data are detected intensities and tilt; output data are mass-thickness and composition.
Robin, CEA-patent:
2017: EP3032244B1;
2019: US10240918B2
Le projet IZAC : Ce projet vise à développer une nouvelle routine de quantification, pouvant être appliquée à une large gamme de tensions d’accélération (5-200 kV) et sur de nombreux matériaux, allant des structures minces à épaisses, des éléments purs aux composés multiéléments. Cette nouvelle routine est basée sur la méthode du zêta-facteur corrigée du Ф(ρz) dont le principe est de corriger l’intensité du rayonnement X mesurée des effets matriciels qui affectent l’émission et la génération des radiations (décélération partielle ou totale du faisceau d’électrons et absorption potentielle des radiations dans le volume analysé). De ce fait, la méthode diffère des routines de quantification classiques qui, soit ne tiennent pas compte de la décélération du faisceau d’électrons (méthode du zêta-facteur) et de l’absorption des rayons X dans la matière (méthode du k-facteur), soit une décélération totale des électrons dans l’échantillon (méthodes ZAF et Ф(ρz)). Cette routine a également été implémentée avec un nouveau modèle d’absorption des rayons X permettant une correction d’absorption dans des échantillons hétérogènes. Cette routine est aujourd’hui appliquée en SEM et TEM pour la détermination d’épaisseurs et de composition d’un large panel de nano-structures avec une précision relative inférieure à ±5 %. 



EDX concentration profiles of Mg and In along the growth axis of a Mg-In co-doped AlN nanowire.
Siladie et al., Nano Letters, 2019
Le projet DOMINO : Ce projet vise à développer le potentiel des détecteurs EDX à fort angle solide pour la caractérisation de faibles niveaux de dopants (jusqu’à moins de 1018 at/cm3) à l’échelle nanométrique (10 nm) en SEM et en TEM. Cela est possible premièrement grâce à l’apparition de nouveaux types détecteurs ayant une grande efficacité de collection (FlatQuad 5060 en SEM et détecteurs Super X en TEM), et deuxièmement grâce à trois innovation majeures qui sont : 1) l’utilisation de filtres spécifiques qui améliorent le rapport signal/bruit, 2) l’implémentation de nouvelles procédures analytiques pour éliminer le bruit résiduel du spectre de rayons X, et 3) le développement de nouveaux codes de calcul pour le traitement et la quantification des données au moyen du code IZAC. Ces innovations ont permis la mesure de faibles niveaux de dopants P (1018 cm-3) dans des nanofils de Germanium, ainsi que la mesure des dopants de Mg, Si et In dans des nanostructures de (Ga,Al)N.



Quantitative 3D reconstruction of the structure and composition of a CdTe quantum box in a ZnTe nanowire. Rueda-Fonseca et al., Nano Letters, 2016
Le projet NANO3D : Ce projet vise au développement d’une méthode rapide et fiable pour la reconstruction quantitative 3D nanostructures cœur-coquille. Cette méthode requiert un maximum de deux cartographies X acquises à deux angles de tilt différents, de préférence perpendiculaires entre eux. Cette méthode est basée sur la modélisation de la section des nanostructures au moyen d’une série d’ellipses imbriquées, dont les dimensions sont définies par leurs diamètres mineurs et majeurs. Le nombre d’ellipses dépend du nombre d’espèces chimiques identifiées depuis le profil de concentration déterminé par le code IZAC. La position et l’orientation de chaque ellipse sont déterminées par les coordonnées de leurs centres respectifs et l’angle de tilt global de la nanostructure. Des modèles plus sophistiqués, utilisant des hexagones ou des rectangles au lieu d’ellipses, ont été développés afin de prendre en compte les facettes des parois des nanostructures cristallines. Ces modèles sont basés sur le modèle elliptique, par construction des tangentes à une ellipse, et sont de ce fait définis par les mêmes paramètres, ce qui est utile lorsque l’on veut comparer ces modèles. Cette méthode a été appliquée pour la reconstruction de nanostructures cœur-coquille de nanofils de (Mg, Mn, Cd, Zn)(Te, Se), (Al,Cu,Sn)(Si, Ge) et (In, Ga)As ainsi que des nanoparticules de (Pt, Co).