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Accueil du site > Divers > Soutien à la recherche > Activités relatives à la microscopie

Activités relatives à la microscopie

Activités relatives à la microscopie èlectronique à balayage (MEB)

La préparation des échantillons pour la microscopie à balayage (MEB)

Cryo Ultramicrotomie

Microtomie

Coss-Polixher

ANR SONDE

résumé

 

Structure d’Objets Nanométriques par Diffraction Electronique

 

 
Caractérisation d’objets de taille nanométrique : un besoin pour la Chimie des Matériaux

La création de nouveaux matériaux a toujours été un des enjeux majeurs de la Chimie. Pour y parvenir et déterminer l’influence de différents mécanismes sur les propriétés des matériaux, la connaissance de leur structure cristalline est une étape primordiale quelle que soit la forme sous laquelle ils sont synthétisés. Ces dernières années, le développement des problématiques liées à la maîtrise des matériaux de taille nanométrique connaît un essor considérable. Ceci est dû aux développements technologiques les plus récents qui nécessitent une miniaturisation et une intégration de plus en plus poussées mais aussi parce que les matériaux présentent, à ces échelles, des propriétés remarquables par rapport aux matériaux massiques (effets quantiques de taille, réactivité de surface). Ces matériaux, sous forme de couches ou sous forme divisée, interviennent aujourd’hui dans de nombreux secteurs d’activité économique. Dans ce cadre, comprendre et résoudre la structure de ces nouveaux matériaux est un défi très important car, actuellement, les techniques de diffraction classique (des rayons X, de neutrons et des électrons) ne permettent pas d’accéder à une structure fine de ces objets.
 
La MET : un outil de choix pour la caractérisation structurale à l’échelle nanométrique
 
Le but du projet SONDE était de regrouper des chimistes du solide, des microscopistes et des cristallographes, ayant des compétences dans des disciplines complémentaires pour mettre au point une méthodologie qui permettra d’accéder à la structure de ces nano-objets. A ce titre, la microscopie électronique en transmission est une technique intéressante par ses capacités à explorer la matière à l’échelle nanométrique. Cependant, la forte interaction électrons-matière et les conditions dynamiques de diffraction, sources d’artefacts difficilement modélisables, ont longtemps limité la résolution d’une structure cristalline sur de simples informations de diffraction des électrons. Plusieurs laboratoires à travers le monde se sont récemment intéressés à la méthode dite de « précession des électrons » qui permet, en théorie, de contourner, autant que faire se peut, ces limitations. Notre projet comportait trois étapes :
1) Synthèse de matériaux modèles à étudier et installation de l’équipement nécessaire.
2) Mise au point d’une méthodologie d’acquisition et de traitement des données.
3) Détermination structurale de matériaux originaux par précession des électrons.
 
Résultats majeurs du projet et production scientifique
 
Sur la base de la méthodologie mise au point, nous avons pu résoudre la structure de matériaux nouveaux se présentant sous des formes, a priori, défavorables à leur étude par diffraction des rayons X :
 
- Ca2Co2O5 stabilisé sous la forme d’un film mince d’environ 100nm d’épaisseur. Ce résultat obtenu au laboratoire CRISMAT constitue une véritable première publiée par P. Boullay, V. Dorcet, C. Grygiel, O. Perez, W. Prellier, B. Mercey et M. Hervieu dans la revue Phys. Rev. B79 (2009) 184108.

 

 

 - Ba2Co9O14 et Ba3Co2(CO3)xO6 observés sous forme de nano-cristaux de 50x50nm2 dans une poudre polyphasée. Ce résultat récent obtenu au laboratoire CRISMAT fera l’objet d’un article en cours de rédaction par V. Dorcet, O. Perez et D. Pelloquin.

 

 

 

- Sr4Ru6ClO18 en combinaison avec des données de diffraction de RX sur poudre. Ce travail obtenu au laboratoire UCCS par S. Minaud, M. Huvé, P. Roussel et O. Mentré est soumis à la revue J. Solid State Chem.
 
Un programme d’extraction des intensités de diffraction électronique (EXTRAX : http://rsb.info.nih.gov/ij/plugins/...) a été développé et mis à disposition de la communauté scientifique. L’article de référence publié par V. Dorcet, X. Larose, C. Fermin, M. Bissey et P. Boullay est disponible dans la revue J. Appl. Cryst. 43 (2010) 191-195.

 


 

 Le projet SONDE est un projet de recherche fondamentale coordonné par le Dr. P. Boullay chercheur au laboratoire CRISMAT de Caen (UMR 6508 CNRS). Il associe aussi des chercheurs du laboratoire UCCS de Lille (UMR 8181 CNRS). Le projet a commencé en novembre 2006 et a duré 36 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de l’ordre de 350k€.

 

 

 

 

 

 

Porte objet double tilt avec dewar à azote


Voici donc le porte objet de marque GATAN qui permet, avec l’utilisation du dewar à azote, de descendre la température jusqu’à l’échantillon avec l’aide d’un capillaire parcourant tout le porte objet. Comme on peut le voir sur les photos ci-après, le capillaire arrive à l’emplacement de la grille, ua bout du porte objet.

 

 Vue du dessous Vue du dessus

 Sur ces portes objets, la grille sur laquelle on dépose la poudre de notre échantillon se fixe à l’envers sur le porte objet et est maintenue par une vis.

Nous possédons actuellement 2 de ces portes objets pour chacun de nos microscopes JEOL ( JEOL 2010, JEOL 2010 FEG, JEOL ARM 200 )

Porte objet chauffant

 

Ce porte objet permet donc, avec l’aide d’un boitier permettant de contrôler la montée en température (comme on peut le voir sur les photos suivantes), de monter jusqu’à 1000°C au niveau de l’échantillon et de couvrir ainsi une large gamme de température pour l’étude des transitions de phase. Un système est refroidissement permet de redescendre la température à l’ambiante :

 

Arrivées de courant sur la grille pour le chauffage de celle-ci
A droite, le système de chauffage et à gauche, système de refroidissement
le tout relié au porte objet

 Nous possédons un seul exemplaire de ce porte objet que l’on peut utiliser sur 2 microscopes électroniques en transmission (le 2010 JEOL et le 2010FEG JEOL).

La précession des électrons

Ces dernières années, le développement des problématiques liées à la maîtrise des matériaux de taille nanométriqueconnaît un essor considérable. Ceci est dû aux développements technologiques les plus récents qui nécessitent une miniaturisation et une intégration de plus en plus poussées mais aussi parce que les matériaux présentent, à ces échelles, des propriétés remarquables par rapport aux matériaux massiques (effets quantiques de taille, réactivité de surface, …).
 
Dans ce cadre, comprendre et résoudre la structure de matériaux de taille nanométrique est un défi très important car, actuellement, les techniques de diffraction classique (des rayons X, de neutrons et des électrons) ne permettent pas d’accéder à une structure précise des films minces et des nano-objets. La microscopie électronique en transmission (MET) est une technique intéressante par ses capacités à explorer la matière à l’échelle nanométrique. Cependant, la forte interaction électrons-matière et les conditions dynamiques de diffraction, sources d’artefacts difficilement modélisables, ont longtemps limité la résolution d’une structure cristalline sur de simples informations de diffraction des électrons. Dans le but de contourner cette limitation, plusieurs laboratoires de microscopie s’intéressent à la méthode dite de « précession des électrons » inventée par Vincent et Midgley [1] dans le but d’améliorer la qualité des diagrammes de diffraction en axe de zone obtenus par MET.
 
Concrètement, il s’agit de faire pivoter le faisceau d’électron autour de l’axe optique du microscope en formant un cône creux renversé dont le sommet est l’échantillon. Il faut donc annuler la rotation du faisceau en dessous de l’échantillon par un mouvement égal et opposé pour obtenir un diagramme de point. Les intérêts de cette technique sont :
- un nombre moins important de faisceaux diffractés à chaque instant ce qui réduit fortement les interactions dynamiques entre les différents faisceaux diffractés et fait disparaître les réflexions cinématiquement interdites,
- l’inclinaison du faisceau permet d’observer des réflexions à grands indices hkl tout en conservant un cliché de diffraction centré grâce à la rotation (le faisceau transmis reste le centre du cliché),
- la rotation du faisceau permet d’intégrer une grande partie de la <<rocking curve>> de chaque réflexion ce qui permet d’observer l’intensité réelle de chaque réflexion.
 

 

[1] R. Vincent and P.A. Midgley, Ultramicroscopy 53 (1994) 271-282.

La préparation des échantillons :

- Cross Polisher

- Cryo Ultramicrotomie

- Microtomie

- Ion Slicer


Thématiques développées :

Etudes en température de transition de phase :

- Porte objet à dewar à Hélium

- Porte objet double tilt avec dewar à azote

- Porte objet chauffant

- La précession des électrons


Activités relatives à la microscopie électronique à transmission (MET)

La préparation des échantillons pour la microscopie électronique à transmission (MET)

Cryo Ultramicrotomie

Microtomie

Ion Slicer


Porte-objets disponibles

Porte objet à dewar à Hélium

Porte objet double tilt avec dewar à azote

Porte objet chauffant

Insertion d’un porte objet dans un microscope


Thématiques

– Cristallochimie de matériaux oxydes, oxychalcogénures et chalcogénures sous la forme de poudre, céramique et film mince. Analyses nanostructurales (fautes d’empilement, mises en ordres chimiques....).

– Cristallographie par les électrons (précession des electrons).

– Transitions de phase en température.

Porte objet à dewar à Hélium

Le Porte objet hélium liquide au laboratoire est un Porte objet GATAN HCHD T3010 double tilt ( +/- 25° ). (fig1)


 Figure1

Le transfert de l’hélium liquide dans le cryostat du Porte objet se fait à l’aide du montage présenté (fig2).


 Figure 2

L’hélium gaz produit tout au long de ce transfert et pendant l’expérience à basse température est récupéré en vue d’être de nouveau liquéfié.

Une fois le cryostat rempli d’hélium liquide et refroidi, l’échantillon est refroidi par deux fils conducteurs thermiques en cuivre. (fig3)

 

 Figure 3