Profil chimique élémentaire de verre traité - XPS

L'évaluation de l'impact d’un traitement ou d’un vieillissement sur la composition élémentaire d’extrême surface, sub-micrométrique ou micrométrique d’un matériau, est le plus souvent réalisée par un profilage en profondeur à l'aide d'une source d’abrasion ionique. 

La « communauté XPS » s’appuie sur deux méthodes différentes de profilage en profondeur mettant en œuvre soit une source monoatomique d’argon, soit une source clusters d’argon.

L’importance du choix de la source d’abrasion, notamment son impact sur la quantification élémentaire,  concerne majoritairement les métaux alcalins légers ainsi que les polymères, qui diffusent pendant l’abrasion. Plusieurs domaines industriels tels que la conversion et le stockage d’énergie, le bâtiment, le médical…, sont intéressés par la répartition des métaux alcalins et alcalino-terreux en surface du verre. Cette information est un élément clé dans le processus de fabrication : elle permet en effet de relier les propriétés macroscopiques de ces matériaux à leur architecture atomique ou moléculaire dont la maitrise et le contrôle conditionnent les performances (propriétés d’usage souvent recherchées : anti-reflet, résistance à la corrosion adhésion, antisalissures, électrochromisme, hydrophilie, propriétés électriques, esthétiques, …). Pour y accéder, TESCAN ANALYTICS propose des techniques de caractérisation avancées permettant de réaliser des profils XPS ou ToF-SIMS à l’aide de sources clusters d’argon. 

Les spectres XPS obtenus sont constitués de pics dont la position (énergie) et l’intensité constituent la signature chimique des éléments constitutifs de l’échantillon/matériau analysé. 

L'XPS a l'avantage de quantifier la concentration des éléments présents sur les 10 premiers nanomètres en surface. Cette valeur peut cependant être faussée quand une diffusion des éléments légers est induite par l'abrasion ionique utilisée pour le profilage chimique. Ainsi, la capabilité du canon clusters d’argon à limiter cette diffusion, permet d'accéder à des données de quantification suffisamment fiables pour apporter des réponses circonstanciées aux problématiques posées par les industriels concernant la corrosion, l'altération, le vieillissement, la ségrégation superficielle...

L’utilisation d'une source clusters d’argon aide à limiter la diffusion des éléments légers lors des profils et donne accès à des données de quantification élémentaires plus fiables.  

Les profilages chimiques par XPS (spectroscopie de photoélectrons X) sont obtenus par une alternance de cycles d’analyse (surface irradiée par des photons X) et d’abrasion (surface décapée par des ions argon : monoatomique ou clusters). Les données de quantification ainsi obtenues en fonction du temps d'abrasion (profondeur) permettent l’accès à la distribution en profondeur (sur quelques dizaines de nm à quelques µm) des concentrations atomiques des éléments constitutifs du matériau analysé et de contamination de surface.

TESCAN ANALYTICS possède une expertise de plus de 20 années dans l'utilisation de l'XPS sur tous types de matériaux, isolants ou conducteurs... Avec des instruments de dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.

 

Figure 1 : Spectre XPS de l’extrême surface du verre sodo-calcique


Figure 2 : Profil du sodium : source monoatomique Ar⁺ vs clusters Ar

Les spectres XPS de l’extrême surface (Figure 1), collectés avec une source monochromatique AlK_α mettent en évidence la présence des éléments du verre sodo-calcique (sodium, oxygène, calcium, silicium et magnésium) et du traitement de surface du verre (dans ce cas : potassium). 

La distribution en profondeur du sodium, élément le plus souvent impacté par les phénomènes de diffusion, a été suivie par un profilage avec une source monoatomique Ar⁺ et avec une source clusters d’argon Ar₅₀₀⁺ (Figure 2).

Les profils de distribution du sodium sont significativement différents selon le canon d’abrasion utilisé :

• Avec la source monoatomique, la concentration en sodium mesurée dans le volume du verre (après 500 secondes d'abrasion) est proche de 4.5 % atomique. Cette concentration est nettement inférieure à la composition attendue pour un verre sodo-calcique ([Na] autour des 9 % atomiques). De nombreuses études de la littérature décrivent une diminution de la concentration en sodium proche de l’extrême surface quand l’abrasion est réalisée avec une source monoatomique Ar⁺. Cette diminution a été expliquée par l'accumulation de charges positives dans la région proche de l’extrême surface repoussant ainsi les ions Na⁺ hautement mobiles dans la matrice vitreuse du verre, créant ainsi une zone appauvrie en sodium.
• Avec la source clusters d’Ar, la concentration en sodium mesurée au niveau du plateau est proche de 9.2 % atomiques, en parfait accord avec la composition attendue.

Ces résultats indiquent une migration négligeable du sodium lors du profilage, quand l’abrasion est réalisée avec la source clusters d’Ar. Cette réduction de la migration pourrait s'expliquer par la différence en énergie des ions Ar dans les deux modes de profilage : alors que chaque ion d’argon porte une énergie de 5 keV avec la source monoatomique, l'énergie portée par chaque atome constituant le clusters est de  40 eV, soit 125 fois inférieure.

Dans cet exemple, deux méthodes différentes de profilage en profondeur ont été utilisées : sources monoatomique Ar⁺ et clusters d’Ar₅₀₀⁺. Des concentrations en Na significativement sous-estimées ont été mesurées avec la source monoatomique Ar⁺, mettant en évidence les limites du profilage en profondeur avec cette source, à cause de la migration induite par l’abrasion. Avec la source clusters d’Ar, la concentration en sodium mesurée à cœur du verre est en parfait accord avec la valeur attendue. 

Ces résultats indiquent que l'XPS couplé à la source clusters d’argon est la méthode optimale pour une quantification fiable des alcalins à cœur des verres.

Dans d’autres travaux, il a été montré l'utilité de l’XPS pour la mesure du taux de recouvrement d’un substrat de nature biologique par un traitement imperméabilisant.

Pour plus d'applications d'analyse de verre avec l'XPS ou nos autres techniques, demandez-nous des informations.

D'autres techniques complémentaires peuvent être utilisées pour remonter à des profils de distribution en profondeur des verres comme le ToF-SIMS couplé à la source clusters d’argon et à la technologie EDR.