La spectroscopie XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) ou ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)

Spécifications
  • analyse élémentaire qualitative : tous les éléments sont détectables, sauf H et He,
  • seuil de détection de 0,1 - 0,5 % atomique suivant les éléments,
  • analyse quantitative : précision de 2 à 5 % - justesse de 20 %,
  • analyse de surface : profondeur d'analyse inférieure à 100 Å (30 à 50 Å environ),
  • informations sur les formes chimiques des éléments détectés (types de liaison, proportion oxyde/métal...),
  • diamètre de la zone analysée (pour notre appareil) : 10 µm à 200 µm,
  • analyse non destructive... sauf dans le cas de la réalisation de profils de concentrations sur quelques 100 à quelques 1000 Å,
  • profils quantitatifs de répartition en profondeur,
  • imagerie chimique quantitative,
  • possibilité d'analyser des échantillons isolants,
  • analyse sous ultravide (10-9 - 10-10 torr).

Principe
La surface de l'échantillon est bombardée par un faisceau de rayons X monochromatiques. Ces photons X sont absorbés par la matière, l'énergie transférée Ex sert, entre autres, à exciter les électrons de coeur des atomes présents :  Ex = El + Ec , avec El et Ec, énergie de liaison et énergie cinétique de l'électron excité.

El est caractéristique d'une couche électronique donnée pour un élément donné. En fixant Ex et en mesurant Ec, il est possible de remonter à El donc à la nature de l'atome excité.

Dans la pratique, la détection consiste en un filtrage en énergie cinétique des électrons émis. Le spectre ESCA est ainsi décrit par une succession de pics qui correspondent à une énergie El donnée (par exemple, pic C 1s = excitation des électrons de la couche 1s du carbone), d'où la possibilité de réaliser une analyse élémentaire.

Il y a globalement peu d'interférence entre les pics des différents éléments. Même lorsqu'un pic peut correspondre à plusieurs éléments, il y a en général moyen de lever l'ambiguïté en étudiant l'ensemble du spectre élémentaire : présence/absence d'un pic secondaire, intensité relative des pics caractéristiques des éléments soupçonnés, étude des pics Auger...

Le signal sous chaque pic/raie R de l'élément A étant proportionnel au nombre d'atomes de type A, l'analyse ESCA est quantitative.

Enfin, l'intensité du signal en fonction de l'épaisseur t de l'échantillon est amortie par un facteur exp(-t/λ) avec λ, libre parcours moyen des électrons dans la matière : plus on s'éloigne de la surface, moins les électrons éjectés auront de chance d'être détectés, c'est-à-dire plus leur contribution au signal total est faible.
C'est ainsi que 70 % du signal détecté provient des λ premiers nm, et qu'au delà de 3λ, la contribution est négligeable. λ étant de l'ordre de 1 à 2 nm, la profondeur d'analyse est donc de 3 à 5 nm, c'est pourquoi la technique ESCA est une technique d'analyse de surface.

 

mis à jour le 24/08/2015