La décharge luminescente comme outil analytique : influence du taux d'émission d'électrons secondaires sur ses caractéristiques

Glow discharge as analytical tool : influence of secondary electron emission coefficient on its features

• Auteur / Autrice : Elisa Barisone
• Direction : Patrice Raynaud, Thomas Nelis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et ingénierie des plasmas de décharge
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décharges luminescentes

Électrons -- Diffusion

Spectroscopie

Mots clés libres

Décharge luminescente

Plasma

Spectroscopie optique

Matériaux multi-couches

Quantification

Taux d'émission d'électrons secondaires

Courbes de Paschen

Impédance de la décharge

Résumé

La Spectrométrie à Décharge Luminescente est couramment utilisée pour l'analyse spectrochimique des matériaux et est devenue un outil standard pour l'analyse de la composition en profondeur de matériaux multi-couches. Cette technique permet aussi la quantification en se basant sur le nombre de photons émis par atome pulvérisé et ne dépend que de Z, l'impédance de la décharge employée pour l'analyse. Cette approche est basée sur l'analyse des métaux, sans fondement théorique, et son extension vers l'analyse des matériaux non-conducteurs n'est pas validée. Pour une géométrie fixée, Z dépend essentiellement de la pression du gaz plasmagène et de gamma, le taux d'émission d'électrons secondaires du matériau de la cathode. Ainsi, pour valider la quantification, il est nécessaire de connaître le gamma des différents matériaux et d'établir un classement. Un " effectif gamma " a été déterminé à partir des courbes de Paschen pour différents matériaux conducteurs et non-conducteurs. L'étude a montré que ce coefficient dépend sensiblement de l'état physico-chimique de la surface des électrodes, ces variations (jusqu'à 50%) rendent le résultat difficilement exploitable. En revanche, la détermination de la variation de Z avec la pression, a permis un classement des différents matériaux en fonction de leur gamma : une forte Z correspond à un faible gamma. De plus ces travaux ont montré qu'une variation de la pression du gaz plasmagène peut compenser l'effet de gamma sur l'impédance de la décharge ce qui est primordial pour la procédure de quantification. Afin de valider le procédé, nous avons analysé une couche mince organo-metallique (LiPON) et ainsi montré que la quantification est applicable aux matériaux complexes en couche mince.

Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GD-OES) is commonly used for the spectrochemical analysis of materials and has become a standard tool for analyzing depth profile composition of multi-layer materials. This technique allows also quantification based on the number of photons emitted by sputtered atoms and depends only on Z, the impedance of the discharge used for analysis. This approach is based on the analysis of metals, without theoretical foundation, and its extension to the analysis of non-conductive materials is not yet validated. For a fixed geometry, Z depends mainly on the plasma gas pressure and gamma, the secondary electrons emission coefficient of the cathode material. Thus, to validate the quantification, it is necessary to know gamma of different materials and to classify them. An "effective" gamma was determined from the Paschen curves for various conductor materials and non-conductors. The study showed that this coefficient depends strongly on the physico-chemical state of the electrode surface; these variations (up to 50%) make the results hard to use. However, the determination of the variation of Z with the pressure, allowed a classification of materials according to their gamma: a high Z corresponds to a low gamma. Moreover, these studies have shown that a variation of the pressure of plasma gas can compensate the gamma effect on the impedance of the discharge, which is essential for the quantification process. To validate the process, we analyzed a thin organo-metallic (LiPON) and shown that quantification is applicable to complex materials in thin layers.