Analyse de surface par ESCA - Analyse élémentaire et applications

1 - Analyse élémentaire quantitative

• 1.1 - Formalisme
  Figure 1 - Schéma de la géométrie de détection dans un spectromètre à électrons
• 1.2 - Profondeur d’analyse
  Figure 2 - Influence de la profondeur d’analyse ESCA
• 1.3 - Paramètres de l’analyse quantitative
  Figure 3 - Sections efficaces de photo-ionisation calculées pour la raie AlKα par rapport au C1s pour tous les éléments, d’après Scofield Figure 4 - Libre parcours moyen des électrons
• 1.4 - Modèles simples d’analyse quantitative
• 1.5 - Limites de détection
  Figure 5 - Fond continu, bruit statistique, signal minimal détectable et limite de détection

2 - Déplacement chimique

• 2.1 - Modèles théoriques des déplacements ESCA
  Figure 6 - Modèle à potentiel électrostatique des déplacements ESCA Figure 7 - Corrélation entre les déplacements C1s et les valeurs calculées avec le modèle à potentiel avec les charges estimées : (a) avec les électro-négativités de Pauling et (b) avec un calcul CNDO Figure 8 - Comparaison des déplacements mesurés expérimentalement avec le modèle thermodynamique, d’après Jolly
• 2.2 - Exemples de déplacements ESCA
  Figure 9 - Déplacement de surface du pic 4f7/2 pour W(100) en fonction de la polarisation des photons et différents états de surface (propre et après exposition à H2 et O2) Figure 10 - Spectre C1s de la molécule de trifluoroacétate d’éthyle CF3COOC2H5 Figure 11 - Déplacement chimique du pic S2p dans le thiosulfate avec deux sites chimiques du soufre inéquivalents Figure 12 - Spectre C1s du polyéthylènetérephtalate (PET) avec résolution des pics en différentes composantes chimiques et satellites shake-up Figure 13 - Illustration d’un déplacement ESCA secondaire induit par un groupement en position β dans le spectre C1s du PMMA résolu en quatre composantes : le carbone aliphatique 2C est déplacé par rapport aux deux autres carbones aliphatiques 1C en raison de l’effet secondaire β du groupement carboxylique 4COO Figure 14 - Différences dans les spectres de bande de valence du polyéthylène basse densité et du polypropylène et possibilités de caractérisation moléculaire Tableau 1
• 2.3 - Déplacement et paramètre Auger
  Figure 15 - Charte des paramètres Auger pour les composés de cuivre Tableau 2

3 - Applications analytiques

• 3.1 - Choix de la technique
• 3.2 - Pratique de l’analyse
  Figure 16 - Illustration de l’importance dans un spectre ESCA de la contamination superficielle
• 3.3 - Applications spécifiques de l’ESCA
  Figure 17 - Variation, en fonction de l’angle de détection θ, du spectre Si 2p d’un monocristal Si recouvert par une couche native d’oxyde d’environ 2 nm : illustration de l’exaltation de la sensibilité superficielle en émission rasante Figure 18 - Géométrie optimisée en ESCA avec rotation de l’échantillon pour mesure angulaire Figure 19 - Orientation en surface des groupements fluorés dans un copolymère démontrée par détection en fonction de l’angle (Courtoisie de Scienta) Figure 20 - Spectres C1s d’un polymère fluoré par plasma en fonction de l’angle de détection θ montrant que les fonctions fluorées sont localisées en surface à une profondeur < 7 nm Figure 21 - Profil ESCA de multicouches SiO2/ZrO2 obtenu par érosion ionique suivi de la chimie des surfaces érodées par le spectre O1s Figure 22 - Spectre C1s d’un film de polyacide acrylique polymérisé par plasma avant et après dérivatisation par PFE montrant la fixation de CF3 sur la fonction Figure 23 - Spectres C1s obtenus par Voltage Contrast XPS d’une surface de rupture d’un composite à matrice polymérique et renfort par fibre de carbone en fonction de l’énergie des électrons du flood gun, d’après Tableau 3
• 3.4 - Domaines d’applications
  Figure 24 - Détection quantitative de contamination d’une surface de PET par des huiles silicones à différentes teneurs (1 et 5 % at.) par l’évolution des pics Si 2p Figure 25 - Composition de surface mesurée par ESCA en fonction de la composition nominale de volume pour des mélanges miscibles (•) et non miscibles (△) de PVC/poly(α-méthylstyrène-co-acrylonitrile), d’après Figure 26 - Corrélation du déplacement du pic Cl2p3/2 de la molécule CHCl3 adsorbée sur six polymères avec les enthalpies acide-base ΔHab, d’après Figure 27 - Comparaison du spectre ESCA du PS avant (a) et après un traitement plasma d’oxygène (b) et d’azote (c) montrant la fonctionnalisation chimique de la surface du polymère par plasma Figure 28 - Rendements de greffage en O pour le PS et le PEHD en fonction de la vitesse d’écoulement du gaz plasma Figure 29 - Fonctionnalités oxygénées du carbone greffées sur le PS par un plasma d’oxygène Figure 30 - Images ESCA de faciès de décohésion et de corrosion d’un revêtement par un film polymère d’une surface d’acier (Courtoisie Vacuum Generators) Figure 31 - Relation entre l’intensité ESCA du catalyseur supporté, exprimée par , et la taille des agrégats métalliques, d’après Figure 32 - Variation linéaire du rapport ESCA MoO3/Al en fonction de la charge en Mo, d’après Figure 33 - Rapport des signaux Pt4f /Si2p pour une série de catalyseurs Pt/SiO2 en fonction de , d’après . Les modes de préparation des catalyseurs par échange d’ions et par imprégnation influent sur la distribution des particules Figure 34 - Spectres ESCA montrant les déplacements chimiques des pics après oxydation d’un alliage fer-chrome Figure 35 - Profil de concentrations mesuré en ESCA d’un alliage Ni-Cr-Fe de type Inconel après oxydation Figure 36 - Spectres Ni2p3/2 et O1s du nickel métal, de l’oxyde et de l’hydroxyde formés sur le métal et du film passif préparé par polarisation anodique du nickel en milieu acide (a). Modèle structural du film passif d’après les spectres ESCA (b)