CARACTERISATION DES MATERIAUX PAR LA SPECTROMETRIE PHOTO ELECTRONIQUE X(XPS), LA MICROSCOPIE A EFFET TUNNEL LA SPECTROSCOPIE RAMAN ET LA DIFFRACTION DES ELECTRONS LENTS

Aujourd‟hui, les techniques de caractérisation de surface sont présent dans plusieurs laboratoires de recherche en physique, chimie, biologie, microélectronique, et autre et continuent à émerger dans plusieurs domaines et d‟applications. Il est indispensable d‟appréhender un matériau sans le caractériser, c’est-à-dire d’en analyser les propriétés. Il existe de nombreuses techniques de caractérisation des matériaux qui reposent sur différents principes physiques de base : les interactions rayonnement-matière, la thermodynamique et la mécanique. Nous adoptons des techniques de caractérisation spectroscopique pour mettre en évidence la composition chimique, la structure et la morphologie des surfaces du matériau ZnO.[ ] De nos jours, beaucoup de recherches scientifiques se font sur l‟oxyde de zinc (ZnO) pour leurs propriétés électriques, électroniques et optiques intéressantes pour des applications optoélectroniques tel que : capteurs à gaz, réacteur photo catalytique, les fenêtres optique. Dans les cellules solaires, le caractère transparent de ce matériau favorise la conversion de l‟énergie solaire en énergie électrique sollicitée pour notre quotidien. Ce composé est aussi d‟une grande utilité pour l‟émission de rayonnement laser. En effet, les raisons de ce grand intérêt envers ce matériau sont diverses et l‟on peut en particulier citer : sa structure cristallographique, sa structure de bande. La bande interdite est de nature directe ; varie de 3,3ev à 3,6ev et à une énergie de liaison excitonique de 60 meV. De plus, le ZnO est non- toxique, peu cher et abondant sur la Terre. Ce travail sera reparti en trois chapitres.

Principe général de caractérisation des matériaux

Le principe général consiste à envoyer un rayonnement (électrons, rayons X, rayons UV) qui interagit avec la surface du solide. En réponse, l’échantillon émet de la lumière ou des électrons pour être détectés par un analyseur (figure1 Ce processus permet de donner des informations sur la composition chimique et la structure du matériau. Ainsi, elles constituent des méthodes d‟analyse des surfaces des matériaux [1] 1O mbar).D’une part, cela réduit le risque de modifier la surface pendant l’analyse. D‟autre part, le nombre de collisions entre les rayonnements utilisés pour l’analyse et des molécules de gaz diminue [ ] Parmi les techniques de caractérisation utilisé on peut citer : XPS (XRays Photoelectro- Spectroscopie), STM (la microscopie a effet tunnel) spectroscopie Raman, LEED (diffraction des électrons lents).

Spectrométrie photo électronique X(XPS)

La spectroscopie de photoélectrons par rayons X, ou X-ray Photoélectron Spectroscopy(XPS), est une technique de caractérisation de surface non destructive qui repose sur l‟utilisation de l‟effet photoélectrique découvert par H. Hertz en 1887, puis expliqué par A. Einstein en 1905[2]. La Spectrométrie Photo Electronique fut développée dans les années 50 par K. Siegbahn, ce qui lui valut d‟être récompensé par un prix Nobel de physique en 1981. La mesure par XPS repose sur l‟étude de la distribution en énergie cinétique des photoélectrons éjectés d‟un échantillon sous l‟impact de rayons X d‟énergie hν connue. La variation de l‟énergie de liaison des photoélectrons en fonction de l‟environnement chimique des atomes dont ils sont issus est à l‟origine du principal intérêt de cette technique. En effet, cette méthodologie permet de déterminer la structure électronique et l’environnement chimique des atomes présents dans l‟échantillon, mais aussi de quantifier les éléments présents dans les différentes couches, de mesurer l‟épaisseur des couches nanométriques en surface, et même de réaliser des reconstructions de profil chimique lorsque l‟instrument permet d‟accéder à l‟information angulaire. Cette technique de caractérisation est adaptée à l‟étude surfacique de l‟échantillon puisque le libre parcours moyen des photoélectrons émis dans la matière est très faible (i.e. de l‟ordre du nanomètre). Ainsi, la profondeur d‟analyse ne dépasse pas 10 nm. La spectroscopie de photoélectrons par rayons X repose sur le principe de la conservation de l‟énergie du photon incident et s‟exprime comme suit :

Le schéma de principe comporte les éléments suivants : (1) source X, (2) échantillon,(3) système de focalisation électronique, (4) analyseur, (5) détecteur à électrons (Channeltrons) ; (6) système d’acquisition et de traitement des données. Le système de focalisation électronique est constitué de lentilles qui agissent comme un filtre passe-haut, seuls les électrons d‟énergie supérieure à une énergie fixée peuvent passer, ils sont ensuite focalisés au niveau L’analyseur (4) Constitué de deux électrodes hémisphériques, qui permet une sélection en énergie des photoélectrons. La différence de potentiel entre ces deux électrodes définit l’énergie de passage des électrons. Seuls les électrons ayant une énergie cinétique comprise dans un intervalle d’énergie centré sur cette énergie de passage arriveront au détecteur. Cette partie agit comme un filtre passe bande. A la sortie de l’analyseur se trouve un détecteur multiplicateur d‟électrons de type channeltron qui permet d‟amplifier le courant d‟électrons et d‟utiliser un mode de comptage en impulsion.