TECHNIQUE DE CARACTERISATION DES MATERIAUX

1. Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
Département de Physique
Mémoire de Master II
Section : Sciences et Génie des Matériaux
Thème :
Soutenu le ……./………/ 201
Présenté par :
Mamadou Bhoye BALDE
Encadreur :
M. Omar SAKHO
Année académique : 201 - 201
Président Pr A.C. BEYE UCAD/FST
Membres du Jury
Dr Omar SAKHO UCAD/FST
Pr UCAD/FST
Pr UCAD/FST
Phénomènes des interactions Photons avec la matière :
Spectroscopie d’électrons AUGER : (AES)

2. M.B.BALDE
2
REMERCIEMENTS
Je rends grâce d’abord au très Dieu, le tout puissant, de m’avoir
donné la force et la chance d’arriver à cette fin malgré toutes les
difficultés.
Je remercie ensuite le responsable du master Professeur Titulaire
des Universités de Classe Exceptionnelle Mr BEYE Aboubaker Chédikh et
également Mr Omar SAKHO qui n’a pas ménagé aucun effort à me diriger
tout au long de ce travail, pour ses conseils, sa grande disponibilité et son
encouragement avec constance et surtout de sa rigueur scientifique dans
les moments de doute et d’incertitude.
Je remercie vivement tous les membres du jury ainsi que mes collègues qui
m’ont assisté de près ou loin.
Finalement, je remercie chaleureusement tous mes proches : mes
très chères parents, mes sœurs et frères, ainsi que tous mes amis qui ont
toujours été là pour me soutenir et m’encourager durant mes études.

3. M.B.BALDE
3
DEDICACES
« ‫توكلت‬ ‫عليه‬ ‫و‬ ‫باهلل‬ ‫اال‬ ‫توفيقي‬ ‫وما‬ »
Je dédie ce travail à :
 Toute personne qui a voulu accéder à ce stade sans y parvenir
 Toute ma famille paternelle et maternelle
 Mes chers parents (ma mère Fatoumata DRAME et mon père
ISMAILA BAH), qui m’ont toujours encouragé et soutenu dans mes
études jusqu’à atteindre ce stade de formation ; que Dieu vous donne
longue vie.
 Mes adorables frères et sœurs.
 Mes amis et compagnons.
 Tous les enseignants qui m’ont dirigé vers la porte de la réussite de
ce mémoire.
 Ensuite que deux personnes chères et adorables veuillent agréer
l’expression de ma reconnaissance: ma tante à moi seule, Mme Diallo
Kadiatou Kétiguiya celle qui m’a soutenu à tous niveaux ainsi que son
mari Mr Alpha Amadou Kourou Diallo « Hooree jo tabital pulaagu
international » que dieu vous allège le fardeau.

4. M.B.BALDE
4
TABLES DES MATIERES
INTRODUCTION
I. INTERACTION RAYONNEMENT (Photons)- MATIERE…..
1. Généralités…………………………………………………………………………………
2. Effet global……………………………………………………………………………….
3. Phénomènes d’interactions ………………………………………………….
a. Diffusion élastique (simple)Thomson-Rayleigh………
i. Diffusion de Thomson………………………………………
ii. Diffusion de Rayleigh…………………………………………
b. Effet Compton………………………………………………………………..
c. Effet photo-électrique…………………………………………………
d. Effet de matérialisation ou création de paires………..
4. Domaine de prédominance de chacun de ces effets………
5. Atténuation de l’absorption…………………………………………..
II. SPECTROSCOPIE AUGER………………………………………………………
1. EFFET AUGER………………………………………………………………….
a. Principe d’auger ………………………………………………………
b. Représentation des Transitions d’auger……………..
c. ………………………………………………………….
2. Energie des électrons Auger……………………………………………..
3. Caractéristique d’un spectre Auger…………………………………
a. Région de faible perte d’énergie…………………………….
b. Région de perte d’énergie moyenne………………………..
c. Région de perte d’énergie élevée…………………………….
d. …………………………………………………..
4. Caractéristiques d’un signal Auger…………………………………..
a. Position des raies Auger……………………………………………
b. Largeur et forme des raies……………………………………….
c. Intensités des raies Auger ……………………………………….
III.ANALYSES EXPERIMENTALES DOMAINES D’APPLICATIONS DE L’AES.
1. ANALYSES EXPERIMENTALES……………………………………………………………………………
2. DOMAINES D’APPLICATIONS DE L’AES ……………………………………………
a. Dans l’industrie microélectronique
b. En métallurgie industrielle ………………………………………………………..
c. En industrie chimique………………………………………………………………….

5. M.B.BALDE
5
CONCLUSION

6. M.B.BALDE
6
LISTES DES FIGURES ET TABLEAUX
LISTES DES FIGURES:
I. INTERACTION RAYONNEMENT (Photons)- MATIERE :
Figure 01 : interaction rayonnement avec la matière [06] …………..………………page 10
Figure 02 : schéma de diffusion de Thomson [09]…………………..……………………page 11
Figure 03 : schéma de Diffusion de Rayleigh [09]…………..………………………………page 11
Figure 04 : Schéma de l’effet Compton [09] ………….………………………………… page 12
Figure 05 : schéma de l’effet photoélectrique : incidence photon suivie d'éjection
d’électron [15] ………………………………………………………………………….…... page 13
Figure 06 : schéma de l’effet de création de paires électron- positron… page 13
Figure 07 : schéma de récapitulation des effets résultants de l’interaction
rayonnement- matière………………………………….……………………………………….…… page 14
Figure 08: Importance relative de (Energie du photon, Z…)……………….page 14
II. SPECTROSCOPIE AUGER :
Figure 09 : Variation du coefficient d’absorption massique en fonction de la longueur d’onde
(échelles logarithmiques) ……………………………………………………………………………page 16
Figure 10 : comparaison des atténuations massiques en fonction de l’énergie ……page 18
Figure 11 : Contributions respectives au coefficient d’absorption linéique des trois modes
d’absorption de l’énergie des photons par la matière en fonction de l’énergie des photons
………………………………………………………………………………………………………………….…page 18
Figure 12 : Processus d’ionisation d’un atome ………………………………………………………page 20
Figure 13 : phase désexcitation radiative: réarrangement de l’atome : électron de fluorescent
…………………………………………………………………………………page 20
Figure 14 : Désexcitation non radiative : caractéristique d’un électron AUGER.. page 22
Figure 15 : : variation du rendement d’émission Auger en fonction du Nombre atomique Z
………………………………………………………………………………page 21
Figure 15 : exemples de transitons ………………………………………………………………page 23
Figure 16 : Lignes de transitions Auger pour différents éléments chimiques……… page 23…
Figure 17 : Distribution énergétique de la densité N(E) des électrons réémis en fonction de
l’énergie cinétique …………………………………………………… page 25
Figure 18 : Profondeur d'échappement des électrons Auger en fonction de leur énergie
……………………………………………………………………………………….………… page 26
III. DOMAINES D’APPLICATIONS

7. M.B.BALDE
7
LISTES DES TABLEAUX
Tableau 1.1 :…………………………………………………………………………………………………
Tableau 1.1 :…………………………………………………………………………………………………
Tableau 1.1 :…………………………………………………………………………………………………
Tableau 1.1 :…………………………………………………………………………………………………
Tableau 1.1 :…………………………………………………………………………………………………

8. M.B.BALDE
8

9. M.B.BALDE
9
INTRODUCTION GENERALE
Les matériaux ont toujours façonné le niveau de développement de notre environnement.
Le concept de la science et génie des matériaux est né de la nécessité d’acquérir la maitrise du
comportement des matériaux. Ils étudient les relations entre l'organisation à l'échelle atomique, la
composition des microstructures et analysent les surfaces des matériaux d’où l’obligation de créer de
nouvelles méthodes sophistiquées.
Depuis l’avènement des rayonnements ionisants, la compréhension de certaines physiques ou
chimiques des matériaux est devenu facile et a permis l’essor fulgurant de nouvelles techniques
spectrométriques comme celle des électrons Auger (AES) qui est une technique d'examen de surfaces
basée sur l'interaction entre un faisceau d'électrons mono-énergétiques de basse énergie et la surface
du solide. Cette technique d'analyse, adaptée à l'étude des couches minces (5 Â), est non-destructive.
L’étude des applications des interactions rayonnements matière a attiré tant d’attention aux
chercheurs ces dernières décennies dans divers secteurs industriels c’est dans ce sens que notre
mémoire est orienté à l’étude des phénomènes résultants lors de collision entre un faisceau incident
photonique avec la matière.
Le travail présenté dans l’étude de ce mémoire comprend trois chapitres détaillés ci-dessous, une
introduction générale et une conclusion générale:
 Le Premier chapitre I décrivant le mécanisme des interactions des rayonnements du photon
avec la matière sous toutes ses formes ainsi que les phénomènes qui en résultent, nous les
définirons également tout en les comparant
 Dédié à la spectroscopie des électrons Auger (AES), une technique non destructive
d’analyses des propriétés de surface des corps (solide, liquide ou gaz) dont la profondeur
maximale ~ 3 nm qui mesure l’énergie cinétique des électrons Auger. Dans cette partie nous
décrirons le principe de technique et les effets qui sont induits à savoir les différentes
transitions émises (radiatives et non radiatives)d’une part, nous classerons celles-ci suivant
une nomenclature d’autre part. par ailleurs, nous donnerons des illustrations afin de les
élucider.
 Cette troisième partie consacrée à la partie expérimentale nous avons allons utiliser des
composés qui renferment du carbone et analyser leur spectre pour voir la possibilité de
détecter les raies caractéristiques de transition du carbone dans tous ses états (C-KLL ou
C-KVV) au voisinage de 272 eV. Nous donnerons néanmoins des domaines d’applications de
l’AES afin de montrer l’importance dans tous les niveaux du secteur industriel.
Sur ce, nous clôturerons ce travail avec une conclusion générale et dresserons des perspectives

10. M.B.BALDE
10
CHAPITRE I :
INTERACTIONS RAYONNEMENT
(Photons)- MATIERE
I Généralités :
Un rayonnement particulaire ou électromagnétique est dit ionisant s’il est susceptible
d’arracher des électrons à la matière. Les effets d’une telle irradiation dépendent des ionisations et
excitations des atomes le long des trajectoires des particules ionisantes.
Les photons sont des rayonnements indirectement ionisants, constitués de rayons X et 𝛾 [01, 02]
(m = 0, charge = 0) ont le même comportement vis-à-vis de la matière. Cette interaction est aléatoire.
1. Effet global :
Les photons sont caractérisés par leur longueur 𝜆 𝑞𝑢𝑖 𝑑é𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡 {
𝑓𝑟é𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒 𝜐 =
𝑐
𝜆
é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝐸 = ℎ𝜐
1) lorsqu’un faisceau photonique incident entre en interaction avec un échantillon
(matériau), une partie de ces photons vont être absorbés, d’autres diffusés (changement de
direction) et le reste transmis [03], suivant la valeur de leur énergie l’interaction se fait soit avec
les électrons ou soit avec le noyau et ce processus fait intervenir quatre principaux phénomènes
qui sont [04, 05]:
Figure 01 : interaction rayonnement avec la matière [06]

11. M.B.BALDE
11
 Diffusion élastique ( Thomson-Rayleigh)
 Diffusion inélastique (Effet Compton)
 Effet photo-électronique
 Matérialisation ou effet de création de paires
1.1) Diffusion élastique (simple)Thomson-Rayleigh :
La diffusion élastique d'un photon consiste à une collision avec la matière dans laquelle le
transfert d'énergie du photon à l'atome est négligeable. Deux cas peuvent se poser: la diffusion
Thomson et la diffusion Rayleigh [01, 07].
1.1)1. Diffusion de Thomson
On considère que l’énergie d’un photon incident ayant une faible énergie est totalement
absorbé par un électron atomique fortement lié(a) qui à son tour est mis en oscillation forcée sans
quitter l’atome (b) puis par relaxation il y’a réémission d’un photon de même énergie avec
changement de direction (c) [08].
Figure1.2 : schéma de diffusion de Thomson [09]
1.1)2. Diffusion de Rayleigh :
On considère un photon interagit avec tous les électrons de l’atome (a) les faisant osciller en
phase (b) pour émettre un photon de même énergie que le photon incident mais dans une direction
quelconque (c). [03, 08].
Figure I.3: schéma de Diffusion de Rayleigh [09]
1.2) Effet Compton.

12. M.B.BALDE
12
L'effet Compton (diffusion incohérente) est lorsqu’un photon incident d’énergie ℎ𝜐 entre en
collision avec un électron libre ou peu lié des couches superficielles de l’atome cible (a) ensuite
l’électron heurté (dit électron de recul) est projeté avec énergie cinétique [09] :
𝐸𝑐 + ℎ𝜐′
+ 𝐸𝑙 = ℎ𝜐 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟏)
et par conséquent le photon diffusé (dévié) voit son énergie finale diminuée (b) :
𝐸𝑓𝑖𝑛 = ℎ𝜐′
< ℎ𝜐 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟐)
Figure I.4 : Schéma de l’effet Compton [09]
Cet effet est produit si le photon incident possède une énergie de 0.1 à 0.5 MeV [03, 04, 06, 10].
L’énergie transférée à l’électron se déduit des lois de conservation de l’impulsion et de l’énergie [11,
12]:
𝐸𝑒 =
ℎ𝜈
1 +
ℎ𝜈
𝑚𝑐2 (1 − cos 𝜃)
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟏)
 𝑚𝑐2
est l’énergie de masse au repos de l’électron,
 𝜃 l’angle de diffusion du photon,
 ℎ𝑣 énergie du photon incident.
L’énergie transférée dépend de l’angle de diffusion du photon ; il y a alors deux cas extrêmes
: pour de faibles angles (θ = 0), l’énergie du photon diffusé est très proche de celle du photon
incident, l’électron n’emporte que peu d’énergie ; pour les grands angles (θ =π), l’énergie transférée à
l’électron vaut [10]:
𝐸𝑒 =
ℎ𝜈
1 +
2ℎ𝑣
𝑚𝑐2
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟐)
L’énergie de l’électron est alors maximale mais elle reste inférieure à l’énergie du photon
incident [11, 13]. Le spectre en énergie des électrons secondaires produits par diffusion Compton se
présente sous la forme d’un fond continu appelé fond Compton qui s’étend de 0 à l’énergie maximale
de l’électron, où l’intensité chute brusquement pour former le front Compton. Cette distribution en
énergie est caractéristique de l’effet Compton [12].
Le spectre des électrons Compton est donc un spectre continu.
1.3) Effet photo-électrique :

13. M.B.BALDE
13
L’effet photoélectrique est l’absorption d’un photon d’énergie Eγ = h ν par un électron
atomique (a), lequel acquiert une énergie cinétique 𝑬 𝒄 suffisante pour être éjecté de son atome. La
relation établie par Einstein nous donne approximativement [12, 14] :
𝑬 𝒄 + 𝑬𝒍 = 𝒉𝝊 𝒇𝒐𝒓𝒎𝒖𝒍𝒆 (𝟎𝟑)
L'énergie du photon incident doit être plus grande que l'énergie de liaison de l’électron cible à
un niveau d’énergie considérée (K, L, M, etc…..) de l'atome qui est comprise entre 0,01 et 100 keV
[15, 16, 17].
Figure 05 : incidence photon suivie d’une éjetion d’électron atomique[15]
1.4) Effet de matérialisation ou création de paires :
La production de paires est la création d'une paire électron-positron par le photon incident dans le
fort champ électrique du noyau de l'atome cible. . L'énergie du photon complétement absorbée se
matérialise sous forme d'énergie au repos et d'énergie cinétique des deux électrons (négatif et positif)
créés [18, 19].
L'électron négatif perd son énergie sous forme de rayonnement Bremsstrahlung et sous forme
d'ionisation et le positron, après différents chocs qui le ralentissent, s'annihile avec un électron en
donnant naissance à deux photons émis à 180° de l’un de l’autre ayant chacun une énergie égale à
son énergie au repos 0.511MeV: c’est la dématérialisation.
Cet effet ne se produit que si l’énergie du photon a une énergie
𝑬 𝒙,𝜸 > 𝒉𝝂 = 𝟐𝒎𝒄 𝟐
= 𝟏. 𝟎𝟐𝑴𝒆𝑽. 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟒)

14. M.B.BALDE
14
Figure 06 : schéma de l’effet de création de paires électron- positron
2. Domaine de prédominance de chacun de ces effets.
Figure 07 : schéma de récapitulation des effets résultants de l’interaction rayonnement-
matière
 A basse énergie et haut Z le phénomène prépondérant est l’effet photo-électrique
(EFE).
 Aux énergie moyennes et Z moyen,l’effet Compton (EC) devient dominant .
 Energie élevée (supérieure à 1,022 MeV) et Z élevé intervient la Production de
paires (CP).
Figure 08: Importance relative de (Energie du photon, Z…) [03, 14, 17, 23]
3. Absorption des photons par la matière
L’absorption des photons dans la matière dépend de la nature du milieu et de l’énergie des
photons incidents [19].
Le nombre de photons qui disparait ( absorbés ou diffusés ) au cours de la traversée d’une
épaisseur dx de matériau est proportionnel à cette épaisseur, au nombre I de photons incidents :

15. M.B.BALDE
15
𝑰(𝒙) − 𝑰(𝒙 + 𝒅𝒙) = 𝑨 ∗ 𝑰(𝒙) ∗ 𝒅𝒙 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟓)
𝒅𝑰(𝒙) = −𝑨 ∗ 𝑰(𝒙) ∗ 𝒅𝒙 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟔)
𝒅𝑰(𝒙)
𝑰(𝒙)
= −𝑨 ∗ 𝒅𝒙 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟕)
On définit le coefficient d’atténuation linéaire ou linéique par [19, 20]:
µ = −
𝒅𝑰
𝑰 ∗ 𝒅𝒙
−
𝐝𝐥𝐧(𝑰)
𝒅𝒙
= 𝑨 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟖)
Le coeffcient d’atténuation linéique ou massique représente la probabilité pour un photon
d'interagir par unité de longueur ou de masse de matériau traversé [22], il s’exprime respectivement
en 𝑐𝑚−1
ou en 𝑐𝑚2
. 𝑔−1
.
Finalement après intégration on trouve la loi de Beer Lambert Bouguer (1852) [21]:
𝑰(𝒙) = 𝑰 𝟎 ∗ 𝒆−𝑨𝒙
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟎𝟗)
 𝐼0 l’intensité initiale d’un faisceau de photons monoénergétiques en incidence normale,
La diminution de l’intensité dans l’épaisseur comprise entre x et x + dx d’un absorbant
dépend directement de son coefficient d’atténuation µ.
3.1) Coefficient d’atténuation massique [23]:
Ce coefficient est fonction de l'énergie des photons incidents et du numéro atomique de
l'élément constituant le milieu traversé( proportionnel numéro atomique Z et inversement à
l’énergie E).
3.1)1. Pour un élément simple :
𝝁
𝝆
= 𝝁 𝒌
∗
= 𝝈 𝒌 ∗
𝑵 𝒂
𝑴 𝒌
= 𝝈 𝒌 ∗ 𝒏 𝒌 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟎)
 𝜎 : la section efficace totale d’interaction en cm2
de l’élément,
 𝑀 : la masse atomique de l’élément
 𝑁𝑎 : nombre d’Avogadro
 𝑛 : nombre d’atomes par cm3

16. M.B.BALDE
16
Pour un élément de numéro atomique Z donné, sa variation en fonction de la longueur d'onde
X présente des discontinuités d'absorption qui sont observées chaque fois que les photons incidents
peuvent ioniser les niveaux de l'atome K, 𝐿1, 𝐿2 etc..
Figure 09: Variation du coefficient d’absorption massique en fonction de la longueur d’onde
(échelles logarithmiques) [25].
Z Eléments 𝜇 𝜌 (𝑐𝑚2
. 𝑔−1
) 𝐶𝑢 − 𝜆𝐾 𝛼
4 Be 1,5
8 O 11,5
29 Cu 52,9
82 Pb 232
3.1)2. Pour un mélange :
𝜇 𝑇𝑜𝑡 = ∑ 𝑓𝑘 ∗ 𝜇 𝑘
∗
𝑁
𝑘
= ∑
𝑚 𝑘
𝑚 𝑡𝑜𝑡
∗ 𝜇 𝑘
∗
𝑁
𝑘
= ∑
𝑁𝑘 𝑀 𝑘
𝑀𝑡𝑜𝑡
∗ 𝜇 𝑘
∗
𝑁
𝑘
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟏)
 𝑓𝑘 la fraction massique de l'élément k dans le mélange.
 𝑁𝑘 :nombre d’éléments k dans le composé
 𝑀 𝑘 : masse atomique de l’élément k
 𝑀𝑡𝑜𝑡 : masse moléculaire du composé.
Par exemple Absorption de la radiation du 𝑪𝒖 − 𝝀𝑲 𝜶 par l’air, les constituants pris en
compte étant l’Azote ; l’Oxygène et l’Argon [25]. :
N O Ar
𝜇 𝜌 (𝑐𝑚2
. 𝑔−1
) 𝐶𝑢 − 𝜆𝐾 𝛼 8,5 12,7 113
Fractions massiques considérées 0,755 0,232 0,0113

17. M.B.BALDE
17
𝜇 𝜌 (𝑐𝑚2
. 𝑔−1) = 8,5 ∗ 0,755 + 12,7 ∗ 0,232 + 113 ∗ 0,013
Compte tenu des diverses interactions décrites, on peut donc écrire :
𝜇 𝑇𝑂𝑇
∗
= 𝜇 𝑃ℎ𝑜𝑡
∗
+ 𝜇 𝐶𝑜𝑚𝑝
∗
+ 𝜇 𝐶𝑝
∗
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟐)
Avec 𝜇 𝑇𝑂𝑇
∗
=
𝜇
𝜌
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟑)
Ce coefficient pour chaque interaction est fonction paramétrique proportionnel du numéro
atomique de l'élément Z constituant le milieu traversé et inversement de l'énergie des photons E
incidents. On distingue :
 Effet photoélectrique :
𝜇 𝑃ℎ𝑜𝑡
∗
= 𝐶𝑍3
𝐸−3
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟒)
L’effet photoélectrique est donc important pour des éléments lourds (Z grand) et à basse énergie.
Pour une énergie de 1 MeV et pour des cibles formées d’éléments légers comme les polymères, il
est négligeable.
De faible variation de Z modifie beaucoup le coefficient d'atténuation surtout à basse énergie.
 Effet Compton :
L’effet Compton dépend peu de la nature du matériau diffuseur. Le coefficient d’atténuation
massique 𝜇 𝐶𝑜𝑚𝑝
∗
décroît légèrement lorsque le numéro atomique Z ou l’énergie du photon E
augmente. L’effet Compton est contraire l’effet photoélectrique.
L'atténuation par effet compton dépend essentiellement de la densité de la matière et peu de
l'énergie des photons.
𝜇 𝐶𝑜𝑚
∗
= 𝐶 ∗ 𝑑 ∗ 𝐸−0,3
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟓)
d densité, E énergie des photons, C constante
 Effet de création de paires :
Contrairement aux 2 autres effets (photoélectrique et Compton), 𝜇 𝐶𝑝
∗
augmente avec l’énergie
E du photon incident (loi en ln E) et comme le carré du numéro atomique, 𝑍2
de l’élément
absorbeur.

18. M.B.BALDE
18
Figure 10 : comparaison des atténuations massiques en fonction de l’énergie [26].
Figure 11: Contributions respectives au coefficient d’absorption linéique
des trois modes d’absorption de l’énergie des photons par la matière en fonction
de l’énergie des photons [27]
3.2)
L'atténuation des rayons X dépend de
- l'absorption photo électrique prédominant aux faibles énergies < 50 keV et le
coefficient d'atténuation très élevé.
- l'atténuation par effet Compton prédominant aux fortes énergies > 110 keV
et on a une faible atténuation

19. M.B.BALDE
19
CHAPITRE II :
SPECTROSCOPIE D'ELECTRONS AUGER
(AES)
La spectroscopie des électrons Auger permet la détermination de la composition
chimique de la surface (nature des électrons) et, éventuellement, la nature des liaisons
chimiques des atomes d'après la forme et la composition en énergie des transitions qui
leurs sont associées [28].
1. EFFET AUGER.
L'effet Auger, découvert par Pierre Auger en 1925, est un processus de désexcitation non
radiative d'un atome ionisé. L'aspect local de l'analyse Auger (un faisceau électronique de
quelques𝜇𝑐𝑚2
, contre un faisceau de lumière de 𝑐𝑚2
pour la photoémission X classique) doit être
également souligné [29].
1.1. Principe d’auger :

20. M.B.BALDE
20
Un faisceau incident de photons d’énergie 𝐸 𝑝 qui bombarde un matériau peut créer des trous
dans les niveaux profonds d’énergie 𝐸 𝑊 en arrachant électrons des atomes du matériau dès que
𝐸 𝑝 est supérieur à 𝐸 𝑊. Où 𝐸 𝑊 est l’énergie de liaison des électrons sur la couche W [30]. Ainsi
l’atome se trouve dans un état excité instable qui entrainera un retour vers son état d’équilibre.
L’atome ionisé peut retrouver son état électronique fondamental suivant deux processus qui
sont soit la transition radiative (caractéristique RX) ou transition non radiative (caractéristique de
l’électron Auger) [28, 31].
La désexcitation du matériau se fait par la retombée d’un électron d’une couche plus externe
du solide avec émission soit de rayonnement soit d’un électron.
Dans ce cas l’énergie libérée par la transition d’un électron depuis le niveau X vers le niveau W
est transmise à un électron d’une couche externe Y qui est libéré avec une énergie cinétique
caractéristique de l’énergie des niveaux de l’atome considéré. [32, 33, 34]
Figure 12. : Processus d’ionisation d’un atome
Figure 13. : phase désexcitation radiative: réarrangement de l’atome : électron de fluorescent

21. M.B.BALDE
21
Figure 14 : Désexcitation non radiative : caractéristique d’un électron AUGER
Ces deux processus d’émission sont en compétition et dépendent de du numéro atomique Z
[31]

22. M.B.BALDE
22
Figure 14: variation du rendement d’émission Auger en fonction du Nombre atomique Z [34, 30]
1.2. Représentation des Transitions d’auger:
Une transition Auger est désignée par trois niveaux d’énergie qui interviennent dans le
processus. Dans le cas d’un atome A dont les niveaux concernés par l’effet Auger sont W, X et Y, la
transition est notée A-WXY [34]. Cette représentation signifie qu’il s’agit de l’atome A où
 W désigne le niveau plus profond où la lacune (couche K, 𝐿1, … . ) est créée,
 X (𝐿1, 𝐿2, … … 𝑉) indique le niveau où se situe l’électron qui doit combler cette lacune
 et Y (𝐿1, 𝐿2, … … 𝑉) une couche plus externe où l’électron Auger est extrait.
Toutefois on peut avoir des transitions suivantes appelées:
 Coster-Kronig lorsqu’on a cette forme de WWX (𝐿1 𝐿2 𝑀1)[33,35]
 ou Super Coster-Kronig sous forme de WWW.
La bande de valence peut également intervenir et les transitions sont alors notées WXV ou
WVV [36, 37].
Avec la participation de trois niveaux d’énergie, plusieurs transitions sont possibles, surtout
pour les éléments lourds. Dans ce contexte, les six transitions sont possibles pour KLL:
 2𝑆0
2𝑃6
pour (𝐾𝐿1 𝐿1),
 2𝑆1
2𝑃5
pour (𝐾𝐿1 𝐿2, 𝐾𝐿1 𝐿3),
 et 2𝑆2
2𝑃4
pour (𝐾𝐿2 𝐿2, 𝐾𝐿1 𝐿3, 𝐾𝐿3 𝐿3)
Par exemple les quatre cas suivants :

23. M.B.BALDE
23
Figure 15 : exemples de transitons
En fonction du numéro atomique de l’élément plusieurs transitions sont possibles et peuvent
être induites par cascade jusqu’à des lacunes finales atteignant la bande de valence et induisant par
conséquent une ionisation multiple de l’atome dès lors que la lacune initiale a été produite sur un
niveau profond.
Figure 16: Lignes de transitions Auger pour différents éléments chimiques [38]
2. Energie des électrons Auger :
L’énergie d’un électron Auger est la différence d’énergie entre l’état initial (avec un trou
profond) et l’état final (doublement ionisé). La durée de vie du trou profond étant très courte, aucune
relaxation énergétique du système ne se produit avant la retombée de l’électron du niveau X.

24. M.B.BALDE
24
d. Le faisceau excitateur ionisant un atome du solide en lui arrachant un
électron d'une couche profonde d’énergie 𝐸 𝑊(𝐴°).
e. Un électron d'une couche supérieure d'énergie 𝐸 𝑋(𝐴°) vient combler
cette lacune sur le niveau W en libérant une quantité d'énergie 𝐸 𝑊(𝐴°) − 𝐸 𝑋(𝐴°).
f. Cette énergie, si elle est communiquée à un électron sur le niveau
d'énergie 𝐸 𝑌(𝐴°), peut être suffisante pour extraire cet électron de l'atome excité:
cet électron sera émis avec une énergie cinétique valant en première approximation
[39] :
𝐸 𝑊𝑋𝑌 = 𝐸 𝑊(𝐴°) − 𝐸 𝑋(𝐴°) − 𝐸 𝑌(𝐴+) 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟔)
Où :
 𝐸 𝑊(𝐴°): é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑑𝑢 𝑣𝑒𝑎𝑢 𝑑𝑒 𝑊 𝑑𝑒 𝑙′
𝑎𝑡𝑜𝑚𝑒 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑠𝑜𝑛 é𝑡𝑎𝑡 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙
 𝐸 𝑋(𝐴°): é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑑𝑢 𝑣𝑒𝑎𝑢 𝑑𝑒 𝑋 𝑑𝑒 𝑙′
𝑎𝑡𝑜𝑚𝑒 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑠𝑜𝑛 é𝑡𝑎𝑡 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙
 𝐸 𝑌(𝐴+): é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑑𝑢 𝑣𝑒𝑎𝑢 𝑑𝑒 𝑌 𝑑𝑒 𝑙′
𝑎𝑡𝑜𝑚𝑒 𝑒𝑥𝑐𝑖𝑡é
On voit l’énergie cinétique du photoélectron et de l’électron Auger dépend directement des
niveaux atomiques de l’atome ionisé.
Une formule empirique a été proposée qui permet de prévoir simplement l’énergie approchée
des électrons Auger quelle que soit la nature de la transition [40, 41, 42] :
𝐸 𝑊𝑋𝑌 = 𝐸 𝑊(𝑍0) -
1
2
[𝐸 𝑋 + 𝐸 𝑋(𝑍0 + 1)]-
1
2
[𝐸 𝑌(𝑍0) + 𝐸 𝑌(𝑍0 + 1)]-Φ 𝐴 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟕)
𝑍0 est le numéro atomique de l’élément considéré.
Les éléments légers (Z= de 3 à 14) sont généralement caractérisés par leurs transitions KLL,
tandis que les raies LMM (jusqu’à Z=42) et MNN (Z sup à 42) servent pour l’analyse des éléments
lourds [38].
3. Caractéristique d’un spectre Auger :
L'ensemble des électrons émis au point d'impact de la sonde électronique constitue la
distribution N (E) ou densité spectrale des énergies dans laquelle on distingue trois à quatre
phases sur la courbe I=f(E) [45, 46, 47, 48, 49, 50].

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25
Figure 17 : Distribution énergétique de la densité N(E) des électrons réémis en fonction de
l’énergie cinétique [45, 46, 47, 48, 49, 50]
Au voisinage du pic élastique, il correspond à l’intensité du faisceau incident qui subit une
rétrodiffusion sans perte d`énergie (énergie 𝐸 𝑃) coïncidant à l’interaction élastique ou quasi-élastique
(∆ E ≈ 0 eV) [49, 50].
Ceux qui ont subi une ou plusieurs collisions inélastiques ont une énergie entre 𝐸 𝑃 et zéro, ils
correspondent aux pics de pertes caractéristiques à l’excitation collective des électrons des niveaux
de valence et de conduction.
Les pics Auger correspondent aux électrons Auger créés dans la matière et qui sortent sans perte
d’énergie [51].
La détection des pics Auger dans la distribution n(E) est rendue difficile du fait de leurs faibles
intensités par rapport à celle du fond continu.
On peut utiliser la dérivée
𝑑𝑛(𝐸)
𝑑𝐸
pour annuler virtuellement le fond continu.
L’information fournie par un spectre Auger est essentiellement élémentaire. Chaque élément, excepté
l’hydrogène et l’hélium possède un spectre caractéristique de raies.
L'émission d'électrons Auger se manifeste par des maximums dans les spectres d'émission
secondaire, l'énergie de ces électrons est caractéristique de l'élément émetteur.

4. Profondeur d'échappement :
Un électron AUGER créé à une distance d de la surface interagit avec le solide avant d'atteindre
le vide il perd ainsi une partie de son énergie.

26. M.B.BALDE
26
Le processus de sortie des électrons AUGER peut être interprété par la loi dl absorption exponentielle
: 𝐼 𝑑(𝐸) = 𝐼0 𝑒−𝑑/𝜆(𝐸)
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟖)
où (𝐸 ) désigne la profondeur d'échappement des électrons AUGER.
Elle est dépendante de l'énergie de ces derniers et correspond à l'épaisseur de quelques monocouches.
Figure 18: Profondeur d'échappement des électrons Auger en fonction de leur
énergie.[53].
 Lorsque l’acquisition des spectres se fait en mode direct nous mesurons le rapport signal
Auger sur le fond. L’évolution est mesurée par la hauteur pic à pic de l’intensité Auger si
l’enregistrement est fait en mode dérivé :
Les pics Auger en différents modes. (1) : Mode direct ; (2) : Mode dérivé
 La détection des pics Auger dans la distribution N(E) est rendue difficile par la faiblesse
relative de leur intensité devant celle du fond continu.
 La relative étroitesse de la transition Auger et la variation lente de la pente du fond
continu au-dessus de 50eV ont permis la détection du signal dérivé dans lequel la
contribution du fond continu est virtuellement annulée.
5. Caractéristiques d’un signal Auger
5.1. Position des raies Auger :
L'influence de l'environnement chimique d'un atome dans un corps non élémentaire ou lors
d'un processus d'adsoption se manifeste sur la position des raies Auger de deux façons :
 la liaison chimique formée et le transfert de charge qui en résulte provoquent un déplacement
des énergies des niveaux internes.
 la distribution des états électroniques dans la bande de valence est modifiée.

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Ces deux effets conjugués dans le cas des transitions WVV ou WXV affectent fortement non
seulement la position mais aussi la forme des pics Auger.
5.2. Largeur et forme des raies :
La largeur des raies dépend tout d’abord de la durée de vie 𝜏 du trou profond qui est de
l’ordre de 10-16
s ce qui entraine une largeur de raie d’environ 6 à 7Ev. De plus, la largeur
énergétique de la bande de valence introduira un élargissement des transitions Auger WXV ou
WVV mettant en jeu les électrons de cette bande.
Les raies Auger sont aussi élargies par suite de pertes inélastiques subies lors de son émission,
principalement si celui-ci provient des atomes non strictement superficiels.
5.3. Intensités des raies Auger [54, 55]:
L’intensité d’une raie Auger dépend :
 De la valeur de la section efficace de l’ionisation du niveau profond 𝜎 par l’incidence
primaire, qui est fonction de l’énergie des photons incidents.
 Du rendement Auger, souvent noté (1-w) où w est la probabilité de désexcitation par
rayonnement. Ce rendement est d’autant plus grand que l’énergie de l’électron Auger est
faible.
L'intensité d'une raie Auger WXY pour un élément z d'une matrice donnée, est obtenue par la
formule :
𝐼 𝑊𝑋𝑌(𝑧)=n(z)∗ 𝜎(𝑧, 𝑊, 𝐸 𝑝) ∗ 𝐼 𝑝 ∗ 𝑇 ∗ 𝜆 ∗ 𝛾 𝑊𝑋𝑌(𝑧)[1 + 𝑟] 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟏𝟗)
Avec :
 N(z) concentration atomique de l'élément z,
 𝜎(𝑧, 𝑊, 𝐸 𝑝): section efficace de ionisation du niveau W pour une énergie E des électrons
incidents,
 𝐼 𝑝: courant du faisceau primaire
 𝑇: facteur de transmission du spectromètre
 𝜆 : libre parcours moyen des électrons
 𝛾 𝑊𝑋𝑌(𝑧): rendement Auger qui est d’autant plus grand que l’énergie de l’électron Auger est
faible.
 𝑟:facteur de rétrodiffusion est d’autant plus grand que le numéro atomique z du constituant de
la matrice est plus grand.
6. Analyse quantitative :
La densité spectrale des électrons est en général mesurée en mode dérivée (
𝑑𝑁(𝐸)
𝑑𝐸
). La hauteur IX
pic à pic représente l'intensité de la transition Auger pour l'élément X. Sa concentration relative CX en
surface est définie par :
𝐶 𝑋 =
𝐼 𝑋
𝑆 𝑋
∑
𝐼 𝑘
𝑆 𝑘
𝑘
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑒 (𝟐𝟎)

28. M.B.BALDE
28
où k représente chaque élément dans le spectre étudié (x compris mais excepté les éléments supposés
être absorbés et ∑ 𝐶 𝑋𝑘 =1)
Les facteurs de sensibilités 𝑆 𝑋 sont répertoriés dans le Hand book of Auger Electron Spectroscopy.

29. M.B.BALDE
29
CHAPITRE II :
ANALYSES EXPERIMENTALES-
DOMAINES D’APPLICATIONS.
1. ANALYSES EXPERIMENTALES :
L’analyse d’un spectre de transition Auger se fait le plus souvent en mode direct « N(E) »
avec un appareil dit Analyseur aux miroirs cylindriques (CMA) et en mode dérivé «
𝑑𝑁(𝐸)
𝑑𝐸
» avec un
analyseur hémisphérique ( ).
Mais l’observation du signal N(E) est plus clair de point de vue intensité des pics que des
courbes dérivées
𝑑𝑁(𝐸)
𝑑𝐸
annulant les intensités des pics de l`évolution du fond continu.
La répartition directe est une superposition de courbes gaussiennes et d`un fond continu assimilé à
une fonction puissance. Les hauteurs pic à pic en mode dérivée ne reflètent pas les véritables
intensités des structures présentes.
Lorsqu’on analyse la figure 19, on observe un pic de large de bande large qui atteint un
maximum au voisinage de 270 eV. Ce pic est caractéristique de l’atome de carbone.
Figure 19 : Emission Auger de l’atome carbone [56]
Néanmoins l’analyse de surface de l’acier 100 C6, un matériau essentiellement
composé de fer, chrome et carbone, où il y a une couche d’oxyde de fer.
L’enregistrement en mode direct d’un spectre Auger obtenu à des différentes
températures d’abrasion [51] ou celui en mode dérivé de la surface d'un échantillon
nettoyé par solvant [57th] met en évidence un changement de forme et d'intensité pour
tous les pics.

30. M.B.BALDE
30
Figure 20 : Spectres Auger obtenus à différents temps d’abrasion sur de l’acier 100C6 [51].
.
Figure 21 : Analyse Auger d'une surface d'acier 100 C6 nettoyée par solvant [57]
On observe aussi à travers ces spectres que la différence des structures de la figure 22
met en évidence l’environnement chimique de l’atome carbone.
Nous remarquons que selon le matériau analysé, le carbone donne des spectres Auger
différents et peuvent se présenter soit sous forme de:
 carbure (Cr3C2, Cr7C3, Mo2C, et WC) où le carbone est fortement lié aux
atomes du solide par des liaisons covalentes apparaissant sous forme de triplet.
 ou fullerène et de graphite avec des liaisons carbone-carbone doubles ou simples
dues aux électrons délocalisés apparaissent sous forme de singulet large.

31. M.B.BALDE
31
Figure 22: comparaison des différentes émissions Auger dans les matériaux comme: le fullerène, le
graphite, le Cr3C2, le Cr7C3, le Mo2C, et de WC [58b]
Au cours de nos différents travaux à des méthodes différentes d’analyse de surfaces nous
avons observé le comportement de la transition du carbone KLL ou KVV en fonction de l'état
chimique de celui-ci et on a remarqué que malgré l’encombre stérique au voisinage du carbone pour
différents matériaux il y a toujours un pic vers 272 eV révélateur de la présence carbone.
L'analyse par spectroscopie d'électrons Auger nous permet la mise en évidence l'analyse
qualitative élémentaire et l'analyse chimique grâce aux modifications des positions et des formes des
transitions qui sont fonction de l'environnement chimique des différents atomes d'un composé.
2. DOMAINES D’APPLICATIONS :
Le domaine d’applications de la spectroscopie des électrons Auger(AES) est extrêmement
varié, il en résulte des principes physiques. L’AES est largement utilisée à tous les niveaux du secteur
industriel, à savoir[59]:
1. Dans l’industrie microélectronique:
 La réduction du spot électrique suit la tendance à la miniaturisation des composants.
 La spectroscopie Auger permet l’étude de toute la gamme des
matériaux : isolants, métaux, semiconducteurs, entrant dans la fabrication des composants.
 La spectroscopie Auger est utilisée à toutes les étapes de la
vie du composant : suivi de fabrication, passivation, fiabilité, analyse de défaillances...
2. En métallurgie industrielle [60, 61] :
 Les matériaux sont de plus en plus complexes avec des propriétés
particulières comme la résistance à la corrosion, au frottement, à la
fracture.

32. M.B.BALDE
32
 La méthode Auger est par exemple utilisée pour identifier les
éléments et la stoechiométrie d'un alliage métallique polycristallin. Il existe aussi des applications
en archéologie pour signer l'époque de la production d'un alliage (monnaies, armes, etc...).
 Elle permet également d'étudier les causes de fractures se produisant aux joints de grains.
3. En chimie [62, 63]
Elle nous fournit des informations sur les propriétés chimiques à savoir les déplacements
chimiques :
 Cas des structures anormales lorsque la densité électronique ou l’énergie de liaison des
électrons autour d’un atome est modifiée.
 Cas de la catalyse hétérogène
 ou phénomènes de corrosion .

33. M.B.BALDE
33
CONCLUSION
La spectroscopie AUGER permet l’analyse des électrons caractéristiques des toutes premières
couches de surface résultants lors des interactions-matières et permet donc l'étude de phénomènes se
produisant essentiellement à la surface des matériaux. Le dépouillement complet d'un spectre
comporte plusieurs étapes qui vont de la reconnaissance des raies (il existe des tables pour cela) à
l'étude du glissement des pics (information sur la forme chimique) et éventuellement l'étude des
structures fines qui se fait en général sur une courbe dérivée.
La spectroscopie des électrons Auger (AES) a été utilisé pour suivre l’évolution des
émissions Auger KLL ou KVV du carbone dans des échantillons de différents matériaux.
La position énergétique n’est plus la même lorsque qu’on passe d’une couche de carbone sous
forme de contamination au carbone sous forme de carbure ou au carbone adsorbé sur une surface
métallique.

34. M.B.BALDE
34
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