Laboratoire des Collisions Electroniques et Atomiques Université de Bretagne Occidentale - UFR Sciences 6, av. V. le Gorgeu - BP 809 29285 Brest Cedex - FRANCE

• I.     Techniques expérimentales.
I.1. MIES  (Metastable Impact Electron Spectroscopy)
I.2. UPS    (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)

• II.    Equipement.

• III.  Premiers travaux.

• IV.  Liens.

I.1. Technique MIES.

Des atomes excités dans un état métastable sont utilisés comme projectiles sur une surface. En général sont utilisés des atomes d'Hélium excités dans l'état singulet He*(2[1]S) ou l'état triplet He*(2[3]S) du fait de leur grande énergie potentielle (19,8 eV pour He*(2[3]S), 20,6 eV pour He*(2[1]S)) comparée aux autres atomes excités métastables Néon, Argon ....
Différents processus d'échange de charges entre la surface et les atomes métastables surviennent lors de l'interaction, entraînant l'éjection d'un électron provenant soit de la surface, soit de l'atome projectile. La distribution en énergie cinétique de ces électrons éjectés contient une double information :

 
• la structure électronique de la surface (et / ou adsorbats sur la surface),
• la dynamique de l'interaction projectile-surface.

Les mécanismes conduisant à la désexcitation des atomes excités métastables au devant d'une surface ont été prédits par Hagstrum [1] et sont maintenant bien connus [2].
 
1. Interaction He* - surface.

E(vac) : niveau du vide. E(F) : niveau de Fermi. f : fonction de travail de la surface. DEi'(R) : shift des niveaux électroniques dû au potentiel image créé par l'atome incident à l'approche d'une surface. E'x : énergie électronique de l'atome métastable. Ei'(R) : énergie d'ionisation effectif de l'atome d'Hélium. h : énergie d'ionisation effectif de l'atome métastable.

2. Processus RI + AN.

Pour des surfaces de métaux ayant une fonction de travail f supérieure à environ 3,5 eV, l'électron se trouvant sur le niveau excité 2s de l'atome He* passe par effet tunnel dans un état vide de la bande de valence de la surface (au dessus du niveau de Fermi) par Ionisation Résonnante (processus RI). L'ion résultant He+ se neutralise via le processus de Neutralisation Auger (processus AN). Lors de ce processus Auger, l'énergie de neutralisation est partagée entre deux électrons de la surface, l'un pouvant être éventuellement éjecté, l'autre venant remplir le trou sur l'orbitale 1s de l'ion He+. Le spectre en énergie résultant correspond alors au produit d'autoconvolution de la SDOS (Surface Density Of States).

3. Processus AD.

Pour des isolants, ou pour des surfaces avec une fonction de travail inférieure à 3,5 eV, ou encore pour des surfaces métalliques recouvertes d'un adsorbat (atomique ou moléculaire), le processus RI ne peut avoir lieu car aucun état vide de la bande de valence n'est en résonance avec le niveau 2s du projectile. Le projectile peut alors se désexciter par Désexcitation Auger (processus AD). Il y a simultanément passage d'un électron de la surface par effet tunnel dans le trou de l'orbitale 1s de l'atome métastable, et éjection de l'électron 2s de l'atome métastable. Comme en UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy), un seul électron de la surface est mis en jeu : le spectre en énergie des électrons éjectés correspond alors à la SDOS.

4. Processus AU.

Pour des surfaces ayant une fonction de travail très faible (inférieure à 2,2 eV), telles que des surfaces d'alcalins, la capture résonante d'un électron additionnel par l'atome métastable est permis grâce au niveau d'affinité He*-. Ce processus conduit à la formation d'un ion négatif temporaire He*-(1s(1)2s(2);[2]S) qui se désexcite via un processus Auger intra-atomique, le processus d'Autoionisation ou Autodétachement (AU). Les électrons éjectés par le projectile sont caractérisés dans le spectre en énergie par un pic étroit localisé au niveau de Fermi.

        Comme les transferts Auger nécessitent le recouvrement de l'orbitale 1s de l'atome métastable avec les états de la bande de valence (AN ou AD) ou des orbitales des adsorbats (AD), la technique MIES est très sensible à la structure électronique de la couche externe de la surface.
 

I.2. Technique UPS.
 

Introduction.

        Ce dispositif expérimental a fini d'être construit en 1998. Après les premiers tests de faisabilité et de bonne marche de l'instrument, nous avons débuté les premières études sur l'oxydation du Magnésium.
 

description

III. PREMIERS TRAVAUX.

        En raison du phénomène de chargement de surface, les isolants sont plus difficiles à analyser par spectroscopie électronique que les métaux ou semi-conducteurs. Afin d’éviter cela, une surface isolante (MgO, AL2O3, NiO, V2O5, ...) est généralement formée par oxydation d’une surface ou d’un film déposé sur un substrat métallique. Un des problèmes de cette méthode est de savoir si une “vraie” surface isolante est créée. La technique MIES (Metastable Impact Electron Spectroscopy) nous permet d’obtenir, par mesure de la structure électronique de la couche externe de la surface, des informations précises sur les transformations de la surface durant l’oxydation. La technique UPS nous permet de voir simultanément la transformation de la surface et du substrat lors de l'oxydation.
 

Oxydation du Mg.
 

Nous avons tout d'abord étudié le passage de l’état métallique à l'état d'isolant pour la surface de Mg lors de dépôt d’oxygène de 0L à 100L (1L = 1 Langmuir = 10(-6) torr.sec) à température ambiante. Le but est de définir la quantité d’oxygène nécessaire pour obtenir une surface totalement isolante. Pour cela, nous avons étudié l’oxydation de la surface de Mg à 300K. Un signal électronique situé vers le niveau de Fermi, dû à un comportement métallique de la surface, met en évidence la présence d’espèces de MgO sous-stœchiométriques sur la surface lors de l’oxydation. La saturation en oxygène de la surface de Mg, obtenu vers 10L d’O2, ne correspond pas à une surface totalement isolante. En effet, ce signal métallique est présent jusqu’à des dépôts de l’ordre de 30L d’O2. A haute température (420 K), l'absence de signal métallique confirme la formation directe d'ilôts de MgO.

Dépôt de CO2 sur du Mg et Mg oxydé - Composition de la surface de Mg oxydée.
        Lors de l’oxydation, il semble que deux phases coexistent sur la surface : la phase MgO, et Mg avec oxygène adsorbé (chimisorbé et / ou sous forme de peroxydes). Sur les spectres MIES, aucune caractéristique spectrale révélatrice de la présence de peroxydes est observable. Les oxygènes chimisorbés ne peuvent être distingués des oxygènes du MgO car ils donnent la même caractéristique électronique sur les spectres MIES. Des dépôts de CO2 sur une surface de Mg pré-oxydée permettent de distinguer ces deux phases. Des sites d’adsorption correspondant à des oxygènes chimisorbés permettent en effet la formation de CO3(2-) contrairement aux oxygènes incorporés dans la structure de MgO non réactifs au CO2. Lors du dépôt d’oxygène à température ambiante, des îlots de MgO et des oxygènes chimisorbés coexistent sur la surface. Plus le dépôt d’oxygène est important, moins de composés CO3(2-) sont formés, ce qui traduit une décroissance du nombre de sites d’adsorption. A haute température (420 K), les oxygènes chimisorbés sont incorporés dans les îlots de MgO.
 

Travaux en cours :
Dépôt d'Hydrogène et de NH3 sur Ni et Ni oxydé.

 

Surface science links : Queen Mary, University of London
Dynamics of gas-surface Interactions : European Research Network
ESCA Users group : forum for scientists from academia and industry with a common interest in Electron Spectroscopy for Chemical Analysis and surface science in general.
Technical University, Clausthal-Zellerfeld : Professor Kempter's Research group (MIES experiments).
 

Quelques congrès à venir :

ECASIA '01 : 9th European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis
ICACS 19 : 19th International Conference on Atomic Collisions in Solids

Mise à jour : 29 Janvier 2001
G. Fanjoux : gil.fanjoux@univ-brest.fr