Modélisation, simulation et analyse quantitative d'images de matériaux amorphes en microscopie électronique par transmission à haute résolution

= Modeling, Simulation and Quantitative Analysis of images of High Resolution Transmission Electron Microscopy from Amorphous Materials

• Auteur / Autrice : Hion Suck Baik
• Direction : Thierry Epicier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1997
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Matériaux amorphes

Microscopie électronique en transmission

Résumé

La Microscopie Electronique en Transmission à Haute Résolution (METHR) est une technique potentielle d'étude structurale des matériaux amorphes. Cette thèse a pour ambition d'appréhender les limites de la MET en matière de quantification de l'information présente dans des images de Haute Résolution obtenues sur des films amorphes minces : peut-on notamment reconstruire une fonction de distribution atomique, par exemple la fonction de distribution radiale RDF(r), à partir de micrographies expérimentales ? Après un rappel bibliographique sur la description structurale des structures amorphes en termes de fonctions de distribution atomiques, nous avons décrit les méthodes analytiques envisageables pour modéliser au mieux une structure non-cristalline, en vue d'en simuler des images de METHR. La démarche analytique permettant de reconstruire une RDF à partir d'images de METHR est ensuite développée, et appliquée à un cas académique, concernant une modélisation réaliste d'un amorphe simple monoatomique, le germanium. Une approche expérimentale est enfin présentée, qui consiste en une exploitation quantitative de résultats obtenus sur ce même matériau à l'aide de microscopes électroniques de 200 kVolts, équipés d'un canon à émission de champ, permettant d'espérer une limite d'information de l'ordre de 0. 14 nanomètre au moins. Une méthode de comparaison numérique des images expérimentales avec des images simulées à partir des différents modèles envisageables a été mise au point dans le réseau réciproque ; elle consiste en un traitement quantitatif des diffractogrammes obtenus par Transformation de Fourier des images. La conclusion de ce travail est qu'une information structurale peut clairement être restaurée à partir d'observations expérimentales faites dans des conditions optimales, mais ce au prix d'un traitement quantitatif lourd à mettre en œuvre sur le plan numérique.

High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) is a very powerful tool for structural studies of amorphous materials. The aim of this work to understand the limits of TEM regarding the quantification of structural information present in high resolution images obtained from amorphous thin films: in particular, a relevant question is to know if atomic distribution functions, for example the Radial Distribution Function RDF(r), can be reconstructed from experimental micrographs. After a bibliographical review of the structural description of amorphous materials in terms of atomic distribution functions, we have described the possible numerical methods available with a view of better modeling non crystalline structures, in order to simulate HRTEM images. An analytical procedure allowing the RDF(r) to be constructed from HRTEM images is then developed, and applied academically for a realistic model of a simple mono-atomic non crystalline material, i. E. Amorphous germanium. An experimental approach is finally presented, which consists in a quantitative analysis of results obtained for amorphous germanium on an electron microscope equipped with a field emission gun and operating at 200 kV, with an information limit 0. 14 nm at least. We show that the quality of the determination of experimental parameters is critical, especially the optical parameters, i. E. Defocus and spherical aberration coefficient, as well as the experimental thickness of the observed film. The comparison method of experimental with simulated images using different possible models set in reciprocal space is numerically carried out, in terms of a quantitative treatment of diffractograms obtained by Fourier Transform of images. In conclusion it is demonstrated that a structural information can clearly be restored from experimental observations done in optimal conditions, however the quantitative treatment that has to be undertaken is very time-consuming.