Préparation d’échantillons et conception expérimentale d’expériences d’irradiation en microscopie électronique à transmission multifaisceaux in situ

Summary

Les techniques de préparation des échantillons sont décrites avec des considérations spécifiques pour les expériences TEM d’irradiation ionique in situ. Les espèces ioniques, l’énergie et la fluence sont abordées avec des méthodes permettant de les sélectionner et de les calculer. Enfin, les procédures de réalisation d’une expérience sont décrites et accompagnées des résultats représentatifs.

Abstract

Il est nécessaire de comprendre les matériaux exposés à des environnements extrêmes qui se chevauchent tels que des températures élevées, des rayonnements ou des contraintes mécaniques. Lorsque ces facteurs de stress sont combinés, il peut y avoir des effets synergiques qui permettent à des mécanismes uniques d’évolution microstructurelle de s’activer. La compréhension de ces mécanismes est nécessaire pour l’entrée et le perfectionnement des modèles prédictifs et essentielle pour l’ingénierie des matériaux de prochaine génération. La physique de base et les mécanismes sous-jacents nécessitent des outils avancés pour être étudiés. Le microscope électronique à transmission d’irradiation ionique in situ (I³TEM) est conçu pour explorer ces principes.

Pour sonder quantitativement les interactions dynamiques complexes dans les matériaux, une préparation minutieuse des échantillons et la prise en compte de la conception expérimentale sont nécessaires. Une manipulation ou une préparation particulière des échantillons peut facilement introduire des dommages ou des caractéristiques qui obscurcissent les mesures. Il n’y a pas qu’une seule bonne façon de préparer un échantillon ; Cependant, de nombreuses erreurs peuvent être commises. Les erreurs les plus courantes et les éléments à prendre en compte y sont mis en évidence. L’I³TEM dispose de nombreuses variables ajustables et d’un grand espace expérimental potentiel, il est donc préférable de concevoir des expériences en tenant compte d’une ou de plusieurs questions scientifiques spécifiques.

Des expériences ont été réalisées sur un grand nombre de géométries d’échantillons, de classes de matériaux et dans de nombreuses conditions d’irradiation. Voici un sous-ensemble d’exemples qui démontrent des capacités in situ uniques à l’aide de l’I³TEM. Des nanoparticules d’or préparées par coulée de gouttes ont été utilisées pour étudier les effets des frappes d’ions uniques. Des couches minces d’or ont été utilisées dans des études sur les effets de l’irradiation multifaisceaux sur l’évolution de la microstructure. Les films Zr ont été exposés à l’irradiation et à la tension mécanique pour examiner le fluage. Les nanopiliers d’Ag ont été soumis simultanément à des températures élevées, à une compression mécanique et à une irradiation ionique pour étudier le fluage induit par l’irradiation. Ces résultats ont un impact sur des domaines tels que les matériaux structurels, l’énergie nucléaire, le stockage de l’énergie, la catalyse et la microélectronique dans les environnements spatiaux.

Introduction

Le microscope électronique à transmission (MET) est largement utilisé pour sa capacité à observer des échantillons à l’échelle nanométrique. Au début du développement des microscopes électroniques, les microscopistes ont identifié la MET in situ comme un outil puissant qui pourrait être utilisé pour observer directement le rôle des défauts cristallins, les mesures cinétiques des vitesses de réaction et les mécanismes fondamentaux des processus dynamiques¹. En contrôlant soigneusement l’environnement et en observant directement l’évolution des matériaux, on peut mieux comprendre les mécanismes fondamentaux. Ces connaissances éclairent la modélisation prédictive de la réponse des matériaux ^2,3, ce qui est d’une importance cruciale dans les applications où les tests de fiabilité des matériaux traditionnels sont d’une difficulté prohibitive ; applications où les matériaux sont extrêmement éloignés, dans des environnements incroyablement hostiles, en service pendant des périodes excessivement longues, ou une combinaison de ces facteurs. Les environnements radioactifs sont un exemple où la réalisation d’études expérimentales pose des défis importants en raison des dangers des zones de rayonnement, de la manipulation de matières radioactives et des longs délais requis pour les effets.

L’espace et les réacteurs nucléaires sont deux exemples de ces environnements de rayonnement extrêmes. Les matériaux destinés à l’énergie nucléaire peuvent être exposés à des neutrons de haute énergie, ainsi qu’à un spectre de particules chargées de haute énergie. De même, dans les applications spatiales, les matériaux peuvent être exposés à une variété de particules chargées. La compréhension et le développement d’une modélisation prédictive de l’évolution des matériaux résultant de l’exposition à ces environnements complexes et extrêmes nécessitent une compréhension des mécanismes fondamentaux qui se produisent à l’échelle nanométrique. La MET in situ est un outil permettant d’étudier ces mécanismes dynamiques à l’échelle nanométrique en temps réel ^4,5.

Les expériences d’irradiation ionique in situ dans le TEM ont commencé en 1961 avec l’émission fortuite d’ions O^- à partir d’un filament de canon à électrons en tungstène^{contaminé 6}. Les chercheurs de Harwell ont été les premiers à relier un accélérateur d’ions lourds à un MET pour l’observation directe des effets de l’irradiation ionique⁷. Plus récemment, plusieurs installations ont assemblé des microscopes avec plusieurs accélérateurs d’ions attachés pour permettre des expériences d’irradiation ionique multifaisceaux in situ, notamment à l’Institut de recherche sur l’énergie atomique du Japon⁸, à l’Institut national des sciences des matériaux⁹, au Laboratoire national d’Argonne¹⁰, à l’Université de Huddersfield¹¹, à JANNUS Orsay¹², à l’Université de Wuhan¹³, aux Laboratoires nationaux Sandia¹⁴ et à d’autres¹⁵ y compris plusieurs installations en cours de développement. L’irradiation ionique multifaisceaux peut être utilisée pour étudier les effets synergiques qui se produisent en raison de la génération simultanée de gaz et de dommages en cascade de déplacement dans des matériaux exposés à des environnements de rayonnement complexes. Les étages TEM à température élevée ou cryogénique sont souvent utilisés avec l’irradiation multifaisceaux pour imiter plus fidèlement des environnements spécifiques, car la température joue un rôle important dans l’évolution des défauts. De plus, les étapes d’essais mécaniques peuvent être utilisées pour quantifier le rôle des effets synergiques sur les modifications des propriétés mécaniques en fonction de la dose d’irradiation.

L’irradiation ionique a été utilisée comme technique de vieillissement accéléré pour simuler les dommages en cascade de déplacement atomique qui se produisent lors de l’irradiation neutronique dans un environnement de réacteur, car la technique peut fournir un taux de dommages plus rapide de plusieurs ordres de grandeur tout en évitant l’activation prolongée du matériau cible¹⁶. L’installation I³TEM des Sandia National Laboratories exploite deux types d’accélérateurs pour rendre possible une large gamme d’espèces d’ions et d’énergies. Le faisceau d’ions de haute énergie est produit par un accélérateur tandem de 6 MV et les ions de basse énergie sont produits par un accélérateur Colutron de 10 kV. Des ions d’or allant jusqu’à 100 MeV ont été produits dans le tandem, tandis que le Colutron a réussi à traiter des espèces gazeuses telles que H, Deuterium (D), He, N et Xe^14,17. Un plasma gazeux mixte_D2 et He peut être utilisé pour effectuer une irradiation d’ions triples avec le faisceau d’ions lourds provenant du Tandem, et un faisceau mixte D₂ + He provenant du Colutron.

La production contrôlée d’ions permet un dosage précis du matériau pour atteindre une cible de dommages et une concentration d’implantation. Lors de la simulation de l’irradiation neutronique avec l’irradiation par faisceau d’ions, la dose de dommage, exprimée en déplacements par atome (dpa), peut être calculée. Cette valeur représente le nombre moyen de déplacements d’un atome par rapport à sa position d’origine sur le site du réseau, et n’est pas la même que la concentration totale de défauts. Le calcul de la concentration totale des défauts nécessite des outils de simulation plus avancés capables de tenir compte des effets de recombinaison. Le dpa peut être calculé à l’aide de modèles de dommages par irradiation ionique tels que le logiciel de simulation Monte Carlo Stopping Range of Ions in Matter (SRIM)¹⁸. SRIM peut produire la distribution des lacunes, les puissances d’arrêt et les plages d’ions dans une cible en fonction de la composition cible, des espèces d’ions et de l’énergie ionique. Cela fournit des informations nécessaires pour quantifier l’implantation ionique, les dommages causés par les rayonnements, la pulvérisation, la transmission d’ions, ainsi que les applications médicales et biologiques.

Lorsque l’on envisage cet outil pour étudier les effets de l’irradiation, il est important de concevoir l’expérience de manière à tirer pleinement parti des points forts de la technique. L’utilisation de l’irradiation TEM in situ crée un scénario idéal pour quantifier l’évolution dynamique des défauts créés dans les environnements radioactifs. Bien que cette technique donne un aperçu de l’évolution des défauts, y compris les réactions de défaut de boucle et les mécanismes d’accommodation des joints de grain défectueux (GB), il existe des limites expérimentales importantes dans la comparaison de la quantification des défauts aux irradiations à l’échelle apparente en raison des effets bien connus des couches minces, y compris la perte de défauts ponctuels et de groupes de défauts à la surface de l’échantillon^19,20.

Cet article présente de nouvelles considérations et procédures sur la préparation et le montage d’échantillons pour des expériences TEM multifaisceaux in situ. Sont également décrits les considérations de conception expérimentale, y compris la modélisation et les considérations géométriques propres à l’installation I³TEM, ainsi que le protocole d’alignement et de caractérisation des faisceaux. Une démonstration de l’utilisation de SRIM pour calculer l’énergie requise pour une profondeur donnée d’implantation ionique, ainsi que la distribution des ions et le profil de dommages est fournie. Bien que les méthodes de modélisation^21,22 et certaines méthodes de préparation d’échantillons aient été rapportées précédemment, l’application de ces informations à la conception expérimentale est soulignée ici. Des résultats représentatifs d’expériences TEM in situ sont présentés et une analyse typique des données est également décrite.

Protocol

ATTENTION : Veuillez consulter toutes les fiches de données de sécurité (FDS) pertinentes avant utilisation. De plus, suivez la formation pertinente et prenez les précautions appropriées pour les dangers, y compris, mais sans s’y limiter, les produits chimiques utilisés, la haute tension, le vide, les cryogènes, les gaz sous pression, les nanoparticules, les lasers et les rayonnements ionisants. Assurer l’autorisation et la formation pour l’utilisation de tout l’équipement. Veuillez utiliser toutes les pratiques de sécurité appropriées dictées dans les procédures d’utilisation (appareil de surveillance des radiations, équipement de protection individuelle, etc.).

REMARQUE : Tous les paramètres donnés dans ce protocole sont valables pour les instruments et modèles indiqués ici.

1. Conception expérimentale TEM par irradiation ionique in situ

REMARQUE : De nombreuses variables peuvent être modifiées, ce qui donne un grand espace expérimental potentiel. C’est en concevant des expériences systématiques de manière à ce qu’elles répondent à des questions scientifiques spécifiques que l’on obtienne le plus de succès. Tout d’abord, choisissez les espèces d’ions et les énergies appropriées qui modéliseront le système à émuler.

1. Sélection des espèces ioniques
   REMARQUE : L’interaction des ions avec les matériaux est complexe et les détails dépassent le cadre de ce document. Il existe plusieurs publications détaillant l’interaction ionique dans les solides²³, ou plus précisément avec les métaux²⁴, et les semi-conducteurs²⁵. Les environnements de rayonnement spatial sont constitués d’un spectre d’énergies et de masses ioniques, qui peuvent être modélisées efficacement avec des ions légers et lourds. Les systèmes nucléaires peuvent être émulés en utilisant une combinaison d’irradiation ionique lourde et d’implantation de gaz. L’irradiation d’ions lourds simule les dommages en cascade de déplacement induits par les neutrons et les produits de fission ou de désintégration radioactive à haute énergie. Il est souvent généré dans les matières nucléaires par des réactions de transmutation ou de désintégration radioactive.
   1. Choisissez un élément à implanter, en fonction de la chimie, du type de dommage et du spectre de neutrons correspondant. Pour minimiser les effets chimiques dus à l’implantation d’ions, l’irradiation auto-ionique est souvent utilisée, où l’ion sélectionné est le même que le matériau à examiner. Alternativement, les études de dopage peuvent sélectionner des ions spécifiques pour l’implantation. Le type de dommage est déterminé par l’énergie cinétique des ions, les énergies plus élevées produisant des dommages plus importants. Pour une énergie fixe, des ions légers peuvent être choisis pour produire des paires de Frenkel, des ions lourds pour les cascades de dégâts et des ions lourds pour les pistes d’ions²⁶.
      1. Pour simuler des dommages neutroniques, choisissez un ion qui correspond aux déplacements des atomes primaires (PKA) avec le spectre de neutrons d’intérêt²⁷.
         REMARQUE : Tous les éléments ne forment pas d’ions négatifs stables adaptés à une utilisation dans les accélérateurs en tandem. Voir la figure 1 pour une liste de tous les ions qui fonctionnent avec succès dans l’installation I³TEM. Pour plus d’informations sur le fonctionnement de l’accélérateur et une liste d’éléments compatibles avec 6 MV Tandem avec des ions négatifs stables, veuillez vous référer au livre de recettes de Middleton²⁸.

Figure 1 : Cycles d’ions à ce jour (surlignés en bleu), états de charge et gammes d’énergie dans I³TEM. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

2. Sélection de l’énergie ionique à l’aide des tables d’arrêt et de portée dans SRIM
   REMARQUE : Les tableaux d’arrêt et de plage fournissent une méthode rapide pour déterminer la profondeur de pénétration des ions dans un matériau. La puissance d’arrêt, dE/dx, décrit l’énergie (dE) qu’un ion perd par unité de distance (dx) parcourue dans un solide. Le pouvoir d’arrêt se compose de deux composantes : 1) l’arrêt nucléaire, l’énergie perdue lors des collisions élastiques avec les atomes cibles, et 2) l’arrêt électronique, l’énergie perdue en raison des interactions avec les électrons de l’atome cible. La procédure suivante décrit l’implémentation d’une table SRIM classique.
   1. Dans le logiciel SRIM, sélectionnez Tables d’arrêt / de portée.
   2. Sélectionnez l’ion à implanter et le matériau cible. Plusieurs éléments cibles peuvent être sélectionnés pour une cible composée.
      REMARQUE : Une densité calculée est fournie, mais elle est généralement très imprécise et une valeur doit être saisie manuellement.
   3. Sélectionnez Calculer le tableau pour afficher un tableau des énergies ioniques en fonction de la portée projetée, des écarts latéraux et longitudinaux dans le matériau.
      REMARQUE : Pour les expériences d’implantation, la plage d’arrêt maximale doit être dans l’épaisseur de la feuille.
   4. Des énergies supérieures à 6 MV sont possibles avec plusieurs états de charge. Où l’énergie ionique, E, est approximativement déterminée par :
      Équation (1)
      Où M₁ est la masse de l’ion sélectionné, M_T est la masse totale du composé dans la source (M_T = M₁ pour les sources à élément unique), q est l’état de charge, V_T est la tension aux bornes et V_S est le potentiel de la source.
      REMARQUE : Les états de charge influencent également le courant du faisceau, ce qui affectera la fluence réalisable et le temps d’exposition pour les expériences (voir les équations 2, 3).
3. Sélection de la fluence et du flux d’ions à l’aide de SRIM
   REMARQUE : Vérifiez le profil de profondeur de pénétration pour l’énergie utilisée dans 1.2 à l’aide de SRIM. Décidez d’une concentration d’ions cible (dose, fluence) ou d’un niveau de dommage sur la base de la littérature pertinente. Le niveau de dommage est souvent rapporté en dpa et ne reflète pas le nombre final de défauts, mais est le nombre moyen de déplacements sans tenir compte de l’annihilation des défauts sur les surfaces libres ou de la recombinaison. D’autres conditions environnementales telles que la température ou la charge mécanique peuvent être appliquées simultanément. Ceux-ci peuvent affecter les dommages et les mécanismes d’évolution microstructurale et doivent être pris en compte. Ce qui suit est une description de la façon d’utiliser SRIM pour calculer les dommages ou la fluence. Il existe d’autres méthodes pour calculer les dommages²², mais la méthode décrite est largement utilisée et considérée comme plus simple et plus rapide. Il est fortement recommandé de suivre ces directives pour les conditions de rayonnement pertinentes et, surtout, d’enregistrer et de rapporter les paramètres de simulation afin de pouvoir les reproduire.
   1. Dans le logiciel SRIM, sélectionnez l’ion à implanter et le matériau cible. Plusieurs éléments cibles peuvent être sélectionnés pour une cible composée. Une densité calculée est fournie, mais elle est généralement très imprécise et une valeur doit être saisie manuellement.
   2. Sélectionnez le type de calcul TRIM : « Distribution ionique et calcul rapide des dommages » et modèle de dommages « Quick K-P ».
      REMARQUE : La méthode vacancy.txt fournit une approximation rapide du profil de dommage qui est suffisante pour planifier la plupart des expériences I³TEM. Stoller et ^al.21 détaillent comment utiliser SRIM pour mettre en œuvre l’équation rapide de Kinchin-Pease afin de déterminer le dpa par ion par surface dans les systèmes métalliques. Il existe des arguments concurrents en faveur de l’utilisation des options « K-P rapide » par rapport aux options « Cascade complète »^21,22, en particulier dans les composés ioniques contenant des éléments ayant des énergies de déplacement de seuil différentes. Les auteurs recommandent d’effectuer des recherches sur chacune de ces méthodes afin de déterminer la méthode de calcul la plus appropriée pour déclarer le DPA final dans les publications, en fonction du type d’échantillon et du plan expérimental.
   3. Définissez l’épaisseur de la couche de la même manière que l’épaisseur de l’échantillon TEM (10\u2012150 nm).
      REMARQUE : Le logiciel divisera automatiquement la profondeur en 100 bacs de taille égale, donc le choix d’une épaisseur plus grande entraînera un compartimentage moins précis.
   4. Réglez l’angle d’incidence des ions pour qu’il corresponde aux conditions expérimentales (généralement à 60° de la normale).
      REMARQUE : Le faisceau d’ions est presque normal au faisceau d’électrons dans le MET et généralement l’échantillon est incliné vers le faisceau d’ions de 30°. Voir les sections 3 et 4 pour les schémas de configuration expérimentaux.
   5. Choisissez une énergie de déplacement seuil à partir d’une source littéraire réputée, telle que la norme ASTM E521²⁹. Réglez l’énergie du réseau et de surface sur zéro.
      NOTE : Les publications sur la modélisation³⁰ et les travaux expérimentaux³¹ présentent des énergies de déplacement de seuil sur divers matériaux. Un réseau et une énergie de surface nuls conviennent à la plupart des conditions, mais dans des cas particuliers, il peut être nécessaire de fournir une valeur^{de 21}.
   6. Exécutez la simulation.
   7. Vérifiez le fichier VACANCY.txt pour les événements de dommages en fonction de la profondeur, à la fois les VACANCES par IONS et les VACANCES par RECOILS pour chaque profondeur. Ce fichier peut être importé dans une feuille de calcul.
      REMARQUE : L’utilisation du fichier vacancy.txt n’est peut-être pas la méthode la plus précise pour calculer la dose de dommage et doit être considérée comme une approximation rapide²¹.
   8. Convertissez les unités de (displacements/ion-Å) en (displacements/ion·cm). Utilisez ensuite la fluence ionique mesurée pour déterminer le dpa ou déterminer la fluence ionique nécessaire pour un dpa souhaité (équation 2, voir les sections 3.1.5 et 3.2.5 pour savoir comment mesurer la fluence). Si le taux de dommages (dpa/s) est souhaité, remplacez la fluence par le flux (ions/cm^2-s).
      Équation (2)
   9. Calculez le temps d’exposition nécessaire pour une fluence cible.
      REMARQUE : Vous trouverez ci-dessous les relations entre ces valeurs où e est la charge électronique et C est la charge de Coulombs (équation 3). Certaines expériences couvrent plusieurs décennies de fluence et donc une plage de temps proportionnelle à un flux donné. Pour les expériences à haute fluence, un flux maximal est souhaité pour minimiser le temps d’expérience²⁴. En raison de la vitesse limite des robinets-vannes et de l’actionneur à coupelle de Faraday, une faible fluence nécessite un flux plus faible, de sorte que le temps d’exposition peut être atteint avec une précision suffisante : à l’échelle de la seconde. Un courant de faisceau élevé peut entraîner un échauffement local de l’échantillon, ce qui peut modifier les propriétés de diffusion et l’évolution microstructurale observée. Dans les expériences utilisant un courant de faisceau élevé, l’échantillon doit être refroidi à température ambiante et la température doit être surveillée à l’aide de thermocouples pendant l’irradiation.
      (Équation 3)
4. Sélection de l’étape TEM
   REMARQUE : Des expériences simples d’irradiation ionique peuvent être effectuées sur un seul support d’inclinaison. Cependant, selon le système de matériaux et les propriétés d’intérêt, une variété de supports peut convenir. Il est possible de combiner une variété de composants d’environnements extrêmes simultanément avec l’irradiation ionique, y compris des conditions telles que la température, l’environnement gazeux ou liquide et les contraintes mécaniques.
   1. Envisagez l’utilisation de supports cryogéniques ou chauffants. La température joue un rôle important dans la diffusion des atomes. La température d’implantation peut influencer le type et l’intensité des dommages. Des supports cryogéniques ou des supports chauffants peuvent être sélectionnés pour maintenir une température souhaitée. Maintenez la température ambiante à l’aide d’un support chauffant faisant couler de l’eau glacée.
      REMARQUE : Pour les expériences à haute température, les échantillons doivent être montés sur une grille Mo ou d’autres grilles thermiquement stables.
   2. Envisagez l’utilisation de supports à double inclinaison ou tomographiques. L’orientation cristalline peut être importante à comprendre et est nécessaire pour obtenir des conditions à deux faisceaux propices à la quantification des boucles de dislocation ou des densités de points noirs. Des supports à double inclinaison ou tomographiques peuvent être utilisés dans ces cas. Cela serait également utile pour examiner les changements de phase induits par les rayonnements.
   3. Envisager l’utilisation de supports environnementaux pour exposer le matériau à l’état gazeux ou liquide in situ. La préparation des échantillons pour ce type d’expérience varie, peut être très difficile et dépasse le cadre du présent document³².
   4. Envisagez l’utilisation d’étages spécialisés pour les essais mécaniques, notamment la traction, la compression, la courbure, la fatigue et le fluage.
      REMARQUE : Une préparation spécifique de l’échantillon est requise pour ces types d’expériences et dépasse le champ d’application du présent document 33,34,35,36. Maintenant que l’espèce ionique, l’énergie ionique et la fluence cible ont été déterminées, et que des supports spécifiques pour une complexité environnementale supplémentaire ont été pris en compte, la prochaine étape dans la conception d’expériences d’irradiation ionique consiste à préparer des échantillons pour le MET. Une préparation minutieuse de l’échantillon est nécessaire pour satisfaire aux contraintes géométriques des expériences TEM d’irradiation ionique in situ. Plusieurs méthodes de préparation d’échantillons sont décrites ci-dessous.

2. Préparation de l’échantillon mince et montage sur grille TEM

REMARQUE : Il existe de nombreuses façons de préparer un échantillon pour la GDT. La méthode la plus appropriée dépend de la géométrie de l’échantillon de départ, du matériau et des caractéristiques d’intérêt. Pour obtenir une liste complète et une description des méthodes de préparation, veuillez vous référer au manuel de préparation des échantillons pour le TEM³⁷. Vous trouverez ci-dessous trois méthodes courantes. Pour les matériaux magnétiques, une méthode de collage doit être appliquée afin que les films ou les particules ne se détachent pas lorsqu’ils sont soumis au champ magnétique dans le MET. Les substrats isolants (c’est-à-dire les oxydes) doivent être évités pour minimiser l’expulsion électrostatique due à la charge induite par le faisceau d’ions.

1. Coulée de nanoparticules
   REMARQUE : Il s’agit de la méthode la plus simple pour la préparation d’échantillons TEM pour les nanoparticules d’un diamètre inférieur à 200 nm. Plusieurs matériaux de support différents peuvent être utilisés, notamment des membranes en carbone dentelle, en polymère et en nitrure de silicium. Ces matériaux peuvent interagir différemment avec les nanoparticules en raison des interactions entre ligands. Sélectionnez le substrat qui produit des nanoparticules bien dispersées.
   1. Dispersez les nanoparticules dans un solvant tel que de l’alcool, de l’eau déminéralisée ou une autre combinaison jusqu’à ce qu’elles soient bien mélangées. La sonication peut être utilisée pour briser des agglomérats supplémentaires. La concentration du fluide peut être utilisée pour contrôler la densité des nanoparticules sur la grille.
   2. À l’aide d’une pipette, déposer les particules dispersées sur la face supérieure d’une grille TEM soutenue.
      REMARQUE : Assurez-vous que le côté support de la grille est orienté vers le haut, de sorte que les nanoparticules collent sur la face supérieure de la grille. Il est possible de profiter de l’effet capillaire qui entraîne les nanoparticules au fur et à mesure que la gouttelette sèche. Une chute décentrée entraînera une densité plus faible de nanoparticules dans la zone d’irradiation centrale.
2. Flotteur en couche mince
   REMARQUE : Cette méthode nécessite un film mince (<100 nm) déposé sur un substrat soluble tel que du sel ou une résine photosensible. Une petite partie de l’échantillon est clivée et placée dans un solvant. Au fur et à mesure que le substrat se dissout dans le solvant, la couche mince se sépare du substrat et flotte à la surface de la solution où elle peut être ramassée sur une grille TEM.
   1. Préparez 50 ml de solution de solvant dans une boîte de Pétri.
      REMARQUE : Le solvant dépend du substrat pour le film mince. Les substrats NaCl sont courants, l’eau étant le solvant. De l’alcool peut être ajouté à la solution pour modifier la tension superficielle. Trop d’alcool fera souvent couler l’échantillon, et trop peu d’alcool augmentera la tension superficielle, ce qui rendra difficile le transfert du film sur la grille.
   2. Civrez ou coupez le substrat en sections d’environ 1,5 mm × 1,5 mm.
      REMARQUE : Les bords du film sont généralement de qualité inférieure et doivent être évités dans la mesure du possible.
   3. À l’aide d’une pince à épiler, insérez le substrat, film vers le haut, dans la solution à un angle d’incidence d’environ 30° (figure 2a). Rétractez à plusieurs reprises et insérez-l’insert lentement jusqu’à ce que le film se libère (Figure 2b,c). Le substrat peut être mis de côté.
   4. Insérez la grille TEM dans la solution et amenez le film en dessous. Soulevez lentement la grille sous le film jusqu’à ce que le film soit centré sur la grille. Soulevez rapidement la grille pour la retirer de la solution et le film se fixera (Figure 2d).
      REMARQUE : Si le film n’est pas bien centré, réinsérez la grille et le film dans la solution pour renflouer le film et le centrer si nécessaire. Sachez que le film peut se replier sur lui-même.

Figure 2 : Flotteur de couche mince. Schéma montrant (a) l’insertion d’une section de film mince, déposée sur un substrat soluble, dans une solution de solvant, (b) une vue en coupe transversale de la suspension du film mince en dissolvant la couche d’adhérence du substrat, (c) une vue en coupe transversale d’un film mince flottant librement sur la solution par tension superficielle, et (d) l’utilisation d’une grille TEM pour soulever le film de la solution. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Fraisage par faisceau d’ions focalisés
   REMARQUE : La plupart des matériaux en vrac peuvent être préparés par broyage par faisceau d’ions focalisés (FIB) et des informations détaillant ce processus se trouvent dans le manuel de préparation des échantillons TEM³⁷. Le fraisage FIB est un processus long et complexe par rapport aux méthodes mentionnées précédemment, mais il est très court et facile par rapport aux méthodes traditionnelles de polissage à la main de préparation d’échantillons TEM à partir d’échantillons en vrac. Il présente également l’avantage d’un haut degré de contrôle sur le site, ce qui permet de sélectionner les zones d’intérêt à étudier, telles que les limites ou les défauts. Les feuilles produites par FIB présentent des dommages résiduels d’irradiation ionique induits par le processus de broyage par faisceau d’ions qui vont compliquer la quantification des dommages induits par l’irradiation in situ³⁸.
   1. Préparez l’ascenseur. Diverses stratégies de soulèvement peuvent être utilisées pour produire des feuilles TEM spécifiques au site dans différentes géométries. Pour des méthodes détaillées, veuillez vous référer aux publications pour la préparation d’échantillons dans des géométries telles que : section transversale³⁹, vue en plan⁴⁰, pointes de fissure⁴¹, nano-piliers⁴², aiguilles de sonde atomique⁴³, etc.
   2. Montez le papier d’aluminium. Les soulèvements ex situ peuvent être placés sur la grille TEM de la même manière que les films minces (figure 3a). Pour les éprouvettes soudées à une grille, la feuille doit être soudée à l’extrémité d’un poteau sur la face de la grille pour éviter les effets d’ombre (Figure 3b). Évitez de monter dans les montants en V (Figure 3b : gauche et droite).
   3. Effectuez un dernier polissage de la lamelle. L’amincissement standard de la FIB entraînera des dommages au faisceau d’ions sur l’échantillon. Ces dommages peuvent être minimisés par un polissage affleurant à un très petit angle d’œil et par un fraisage doux avec une faible tension d’accélération. Les alternatives à l’amincissement final traditionnel par faisceau d’ions Ga⁺ comprennent l’électropolissage flash^44,45 et le fraisage ionique avec Ar⁺⁴⁶.
4. Polissage électrique
   REMARQUE : Il s’agit souvent de la méthode la plus privilégiée pour préparer des échantillons métalliques monophasés pour des expériences d’irradiation par faisceau d’ions in situ à partir de matériaux en vrac. Il évite les dommages causés par le fraisage FIB et les techniques de polissage traditionnelles. Cependant, la solution électrolytique, le potentiel électrique et le temps de polissage sont spécifiques au matériau et ces paramètres peuvent être difficiles à déterminer.

Figure 3 : Schéma montrant les grilles TEM avec les échantillons montés sur la face supérieure pour éviter l’ombrage. Grille avec carbone lacey ou film mince (a), grille en demi-lune avec soulèvement FIB soudé à la pointe (b). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Conditions et alignement du faisceau d’ions

1. Accélérateur tandem
   REMARQUE : L’accélérateur Tandem est le mieux adapté aux ions de haute énergie de 800 keV à 100 MeV. Les sources d’ions négatifs par pulvérisation cathodique au césium (SNICS) sont fréquemment utilisées pour produire des faisceaux d’ions métalliques énergétiques et leur fonctionnement n’entre pas dans le domaine d’application du présent document²⁸. Les ajustements et les considérations pour les expériences TEM in situ sont décrits ci-dessous.
   1. Alignez le faisceau d’ions à l’intérieur du MET avec les aimants de direction, les aimants de courbure et les lentilles de manière à ce que les événements d’irradiation puissent être observés in situ. Effectuez des alignements finaux de faisceaux d’ions à l’aide d’une caméra pour visualiser la luminescence induite par faisceau d’ions (IBIL) sur un porte-échantillon TEM à pointe de quartz.
      1. Alignez le faisceau d’ions pour qu’il coïncide avec la cathodoluminescence produite par le faisceau d’électrons, la puissance de la lentille de l’objectif du faisceau d’électrons correspondant à celle utilisée dans l’expérience.
   2. Insérez la coupelle de Faraday en amont du MET pour capturer le faisceau d’ions, et prenez une lecture pour mesurer le courant du faisceau. Des mesures de courant de faisceau sont nécessaires pour calculer la fluence (équation 3).
      1. Pour plus de précision dans la mesure du courant de faisceau, insérez un support TEM équipé d’une platine de Faraday pour mesurer le courant du faisceau d’ions dans la zone de l’échantillon du TEM.
      2. Si le courant doit être surveillé en temps réel, utilisez le moniteur de profil de faisceau (BPM). Allumez le BPM puis surveillez la lecture de l’oscilloscope pour effectuer des mesures de courant. Le BPM fonctionne en hachant régulièrement le faisceau, ce qui entraîne une distorsion temporelle du faisceau et constitue une mesure qualitative du courant du faisceau.
         REMARQUE : Le courant du faisceau d’ions peut dériver, il est donc conseillé de vérifier sa stabilité tout au long de l’expérience.
   3. Mesurez la surface du faisceau à l’aide d’un point de brûlure. Les points de brûlure peuvent être utilisés pour confirmer les alignements dans la section 3.1.1.
      1. Montez un morceau de ruban adhésif transparent sur l’extrémité plate d’un porte-échantillon TEM à inclinaison simple et exposez-le au faisceau d’électrons et au faisceau d’ions. Retirez le ruban adhésif et placez-le sur un fond blanc.
      2. Pour déterminer la zone, photographiez le point de brûlure à l’aide d’une règle et importez-le dans un logiciel de traitement d’image tel que ImageJ⁴⁷. Avec le courant de faisceau, la mesure de la surface du faisceau peut être utilisée pour déterminer le flux d’ions (équation 2).
   4. Insérez un échantillon d’étalonnage pour visualiser les dommages au faisceau, qui doivent apparaître sous forme de contraste de point noir dans des conditions d’imagerie cinématique en champ clair. En règle générale, l’Au ou le CuAu sont choisis en raison de la formation de points noirs facilement apparents et de la facilité de préparation des échantillons⁴⁸.
2. Accélérateur Colutron
   REMARQUE : L’accélérateur Colutron utilise une source d’ions à filament chaud⁴⁹ alimentée au gaz. Il est possible d’accélérer plusieurs espèces de gaz simultanément, cependant, le rapport masse/charge des deux espèces d’ions doit être égal pour que l’aimant de flexion, les pivots et les lentilles agissent de manière identique ; par exemple, ⁴He²⁺ et ²D¹⁺.
   1. Effectuez les calculs SRIM comme décrit à la section 1.2 pour obtenir l’énergie d’implantation de gaz souhaitée.
      REMARQUE : La force nécessaire de l’aimant de flexion dépend de la masse de l’ion, de son état de charge et de la tension d’accélération. Si l’espèce gazeuse a plusieurs isotopes, le choix de celui qui est le plus abondant entraînera le courant de faisceau le plus élevé. Notez également que si le Tandem est actif, cet aimant de flexion agira également sur son faisceau ; des corrections supplémentaires pour le tandem devront intervenir après l’alignement du faisceau Colutron.
   2. Dirigez le faisceau d’ions de manière à ce qu’il coïncide avec le faisceau d’électrons, comme décrit à l’étape 3.1.1.
   3. Mesurez le courant du faisceau comme décrit à l’étape 3.1.2.
   4. Estimez la surface du faisceau à l’aide d’un point de combustion, comme décrit à l’étape 3.1.3.
      REMARQUE : Cette étape peut être effectuée en même temps que la mesure du faisceau d’ions de l’accélérateur Tandem. Cependant, si le courant du faisceau de l’accélérateur Colutron est trop élevé par rapport au faisceau du tandem (> 3 ordres de grandeur), il couvrira le signal et les mesures devront être effectuées séparément.
   5. Effectuer les derniers réglages pour diriger le faisceau sur l’échantillon TEM comme décrit à l’étape 3.1.4.

4. Chargement TEM et conditions d’imagerie

Figure 4 : Conditions de chargement et d’imagerie TEM. Vue aérienne du support TEM avec direction du faisceau d’électrons dans la page avec le support incliné de 30° en X positif (a) et X négatif (c). Vue en coupe transversale vers le bas de l’axe du support avec faisceau d’électrons (vert) et faisceau d’ions (bleu) mis en évidence avec le support incliné de 30° en X positif (b) et X négatif (d) pour l’éclairage inférieur du faisceau d’ions. Zone mise en évidence où le faisceau d’électrons et le faisceau d’ions ne sont pas ombragés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

1. Chargement de l’éprouvette et problèmes géométriques
   1. Chargez la grille sur le support de telle sorte que le côté de l’échantillon de la grille soit orienté vers le haut et que la grille soit orientée de manière à éviter les effets d’ombrage lorsqu’elle est orientée vers le faisceau d’ions (Figure 4a, c).
      REMARQUE : Les figures 4b, d représentent un schéma du trajet des faisceaux d’ions et du trajet du faisceau d’électrons dans la configuration d’irradiation où la zone d’expérimentation efficace est mise en évidence.
   2. Vérifiez les effets d’ombrage à l’aide d’un microscope optique. Inclinez le support de 30° dans la direction X positive, comme illustré à la figure 4a,b. La vue aérienne sera parallèle à celle du faisceau d’électrons. Inclinez le support de 60° dans la direction X négative où la vue aérienne sera parallèle à celle du faisceau d’ions. Si la zone d’intérêt de l’échantillon n’est pas visible dans les deux orientations, il y a un problème d’ombrage et l’échantillon doit être déplacé.
      REMARQUE : Pour certains supports, le bas de la platine présente moins de problèmes d’ombrage et, par conséquent, l’inclinaison à moins 30°, de sorte que le faisceau d’ions frappe la face inférieure de l’échantillon, peut être optimale (Figure 4d).
   3. Montez l’échantillon sur un support TEM en suivant les directives du fabricant pour le support spécifique. Chargez le support dans le TEM pour commencer le cycle de pompe. Attendez que le vide se stabilise et insérez le support.
      REMARQUE : Lors du chargement et du déchargement des supports dans le TEM, la vanne de la ligne de faisceau doit être fermée pour éviter que tout crash du vide induit par la charge dans le TEM n’affecte la ligne de faisceau.
   4. Dans le logiciel de contrôle TEM, chargez le fichier d’alignement le plus récent pour la tension d’accélération utilisée. Affinez manuellement les alignements de l’objectif et de l’ouverture du condenseur, de l’inclinaison et du décalage du pistolet et de l’objectif.
   5. Trouvez une région d’intérêt sur l’échantillon et ajustez les conditions d’imagerie comme décrit par Jenkins et Kirk⁵⁰ en fonction du type d’analyse à effectuer. Utilisez des conditions cinématiques en fond clair pour imager les événements endommagés.
      REMARQUE : Pour les matériaux à indice Z élevé tels que le tungstène, une lentille de condensateur supplémentaire peut être engagée pour une luminosité supplémentaire.
      REMARQUE : Les matériaux à faible Z peuvent être déplacés par des électrons de haute énergie, ce qui entraîne des dommages causés par le faisceau d’électrons qui peuvent alambiquer les dommages causés par les ions⁵¹. L’utilisation d’un faisceau d’électrons à faible dose et la limitation de l’exposition à l’échantillon, ainsi que l’utilisation d’un balayage TEM à faible temps de séjour, aideront à atténuer ce phénomène.
   6. Inclinez le support à la distance de sécurité maximale (30° pour la plupart des supports) jusqu’à 81° vers le faisceau d’ions.
   7. Appliquez tout facteur de stress supplémentaire tel que le chauffage, la climatisation, l’environnement, la mécanique, etc., en utilisant les procédures recommandées par le fabricant et spécifiques au support de GDT choisi.
      REMARQUE : Pour les travaux à fort grossissement, laissez le temps à l’étage de se stabiliser afin que la dérive ne soit pas significative. Les facteurs de stress appliqués peuvent également provoquer la déformation de l’échantillon.
   8. Ouvrez la soupape à faisceau d’ions TEM et retirez la coupelle de Faraday pour exposer l’échantillon expérimental à l’irradiation ionique. Interrompez l’exposition en insérant la coupelle de Faraday et en fermant les vannes à la ligne de faisceau. La coupelle de Faraday doit être insérée avant de fermer la valve TEM pour éviter d’endommager la valve.
      REMARQUE : La pression du pistolet dans le TEM doit être surveillée de manière à ne pas dépasser le seuil spécifié par le fabricant pour des niveaux de fonctionnement sûrs. Il peut être nécessaire d’interrompre l’exposition pour permettre au vide de se rétablir si l’échantillon ou l’étage produit un dégazage important pendant l’exposition au faisceau d’ions.
   9. Enregistrez des images ou des vidéos pour documenter l’évolution de la microstructure.
2. Modes d’imagerie supplémentaires
   1. Pour cartographier les orientations relatives des grains, utilisez la cartographie automatisée de l’orientation des cristaux (ACOM), une technique qui permet d’identifier l’orientation cristallographique de tous les cristallites dont la taille est aussi basse que 10 nm. Les systèmes logiciels automatisent la collecte de motifs de diffraction à l’aide d’un faisceau précessé, qui sont indexés, ce qui permet d’obtenir une carte d’orientation⁵².
   2. Pour les événements ultrarapides, utilisez le déflecteur à grande vitesse. Il s’agit d’une lentille magnétique qui dévie les électrons projetés dans différents quadrants de la caméra à des vitesses rapides, augmentant ainsi le temps d’image d’un ordre de grandeur. Il peut être utilisé pour capturer des événements qui se produisent à l’échelle de la microseconde dans une seule image⁵³.
   3. Effectuez une tomographie électronique en capturant une série d’inclinaisons de l’échantillon, puis effectuez une reconstruction avec un logiciel. Cela révèle la structure tridimensionnelle de l’échantillon et peut être utilisé pour analyser les distributions volumétriques⁵⁴.
   4. Effectuez des mesures d’holographie électronique en capturant une série de mises au point. Cette mesure peut être utilisée pour distinguer les vides, les bulles et les nanoparticules⁵⁵.
   5. Utilisez le champ sombre à faisceau faible pour visualiser les dislocations et les dommages causés par le faisceau d’ions. La condition à deux faisceaux pour un monocristal est utilisée pour mesurer le caractère de dislocation et la densité⁵⁰.

Results

Des expériences TEM d’irradiation ionique in situ ont été menées sur plusieurs systèmes de matériaux et avec plusieurs méthodes différentes de préparation d’échantillons 14,32,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67^, 68,69,70^, 71,72,73,74,75. Vous trouverez ci-dessous quelques systèmes sélectionnés qui illustrent cette variété. Les méthodes de préparation d’échantillons comprennent le moulage par chute de nanoparticules, le flottage en couche mince, le soulèvement en coupe transversale de FIB sur une grille en demi-lune, les feuilles push-to-pull et les nanopiliers.

Une expérience sur les effets des frappes d’ions uniques sur les nanoparticules d’Au (NPs)⁶⁰ est mise en évidence. La densité numérique des particules dans la fenêtre d’irradiation a été contrôlée en tirant parti des forces capillaires qui tirent les NP pendant le séchage d’une gouttelette. En tombant décentrée, la gouttelette tire les NP vers le bord du disque pendant qu’il sèche. Les mécanismes actifs des dommages peuvent être mis en évidence en prenant la différence avant et après un événement (Figure 5). Les mesures révèlent plusieurs mécanismes de dommages induits par l’irradiation auto-ionique unique, notamment la création de cratères de surface, la pulvérisation, la formation de filaments et la fragmentation des particules où les types de dommages dépendent de l’énergie ionique. La formation de filaments est observée à des énergies ioniques plus faibles, tandis que le cratère, la pulvérisation et la fragmentation des particules sont observés à des énergies ioniques élevées. Ces différents régimes énergétiques peuvent être utilisés pour étudier les effets des pouvoirs d’arrêt électronique et nucléaire.

Figure 5 : Effets d’ions simples de 46 keV dans des NP de taille décroissante. Notez que le grossissement est similaire pour toutes les micrographies. Chaque paire de micrographies est séparée par 1 image, soit environ 0,25 s ici. (a–c) Une frappe ionique unique dans un NP de 60 nm a créé un cratère de surface, marqué par la flèche blanche. Le panneau (c) montre la différence : l’image met en évidence le changement entre (a) et (b) ; Les caractéristiques présentes uniquement en (a) sont sombres et les entités nouvellement formées présentes uniquement en (b) apparaissent claires. (d à f) Un seul ion créant un cratère dans un NP de 20 nm. Le panneau (f) montre l’image de la différence entre (d) et (e). Cette figure a été modifiée avec la permission de Cambridge University Press⁶⁰. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Des couches minces nanocristallines d’Au ont été préparées pour des expériences TEM multifaisceaux in situ. Les échantillons ont été déposés par dépôt laser pulsé sur des substrats NaCl, puis flottés dans de l’eau désionisée sur des grilles Mo TEM. Les échantillons ont été recuits dans un four à vide à 300 °C pendant 12 h pour détendre la structure nanocristalline métastable telle que déposée, ce qui a donné de l’or polycristallin avec une granulométrie ultrafine.

Dans cette étude, des ions 2,8 MeV Au⁴⁺ sont utilisés pour simuler l’irradiation neutronique. L’énergie est choisie sur la base de la modélisation SRIM pour entraîner des dommages maximaux dans l’épaisseur du film (Figure 6a). L’huile He⁺ simultanée de 10 keV simule la production de particules de α à partir de réactions nucléaires induites par le rayonnement neutronique. L’énergie ionique He est choisie de telle sorte que les ions sont implantés dans l’épaisseur de la feuille plutôt que de passer à travers (Figure 6b).

Figure 6 : Modélisation SRIM. SRIM a calculé (a) les profils de déplacement et (b) de concentration en fonction de la profondeur pour l’or irradié avec diverses espèces d’ions. Le profil dpa total (D + He + Au) est indiqué par des étoiles violettes en (a). Les lignes d’ajustement sont un guide pour l’œil. Cette figure a été modifiée avec la permission de MDPI¹⁷. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Le matériau a ensuite été irradié par des ions Au et des dommages ont été observés en ce qui concerne la fluence. La microstructure a développé des défauts induits par les ions de haute énergie (Figure 7). Avec l’augmentation du temps d’exposition et donc de la fluence, les dommages ont augmenté de manière linéaire. À fortes doses, la concentration des sites endommagés est trop élevée pour être quantifiée de manière fiable.

Figure 7 : Images TEM montrant les points endommagés. Images TEM d’irradiation in situ de 2,8 MeV Au⁴⁺ dans une feuille d’or en utilisant des débits de dose de 9,69 × 10¹⁰ (a–c) et de 9,38 × 10⁸ ions/cm²·s (e–g), à des fluences de 4,85 × 10⁸, 1,45 × 10¹² et 3,39 × 10¹² ions/cm². (d,h) montrent des augmentations linéaires du nombre de points de dégâts avec le temps. Toutes les images TEM ont été prises avec le même grossissement. Cette figure a été modifiée avec la permission de MDPI¹⁷. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Pour explorer les effets de plusieurs faisceaux interagissant avec le matériau en même temps, une irradiation à faisceaux d’ions doubles et triples est ensuite effectuée sur Au (Figure 8). La nucléation, la croissance et l’évolution de la cavité sont mesurées.

Figure 8 : Images TEM in situ montrant la croissance de la cavité. Images TEM in situ montrant la croissance de la cavité en fonction du temps due à l’irradiation double ion (a–d) avec 5 keV D + 1,7 MeV Au et la formation et l’effondrement de la cavité en fonction du temps due à l’irradiation triple ion (e–h) avec 10 keV He, 5 keV D et 2,8 MeV Au. Des cercles pointillés mettent en évidence la cavité d’intérêt dans chaque image. Cette figure a été modifiée avec la permission de MDPI¹⁷. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Pour explorer le fluage induit par l’irradiation dans le Zr, un dispositif de système microélectromécanique (MEMS) a été fabriqué par pulvérisation cathodique déposant des couches minces de Zr sur des plaquettes isolantes de silicium, suivie d’un motif photolithographique et d’une gravure ionique réactive profonde. La figure 9 montre l’éprouvette Zr autoportante et le cadre d’essai Si push-to-pull qui permet des essais de traction in situ. Des ions Zr de 1,4 MeV ont été utilisés pour irradier l’échantillon sous charge afin de déterminer la réponse au fluage d’irradiation en Zr. En menant l’expérience dans un MET, il est possible d’observer des mécanismes dynamiques à l’échelle nanométrique. Les mesures révèlent un changement de texture ainsi qu’un allongement de l’échantillon. On ne s’attendait pas à un gonflement volumétrique en raison de la géométrie mince de l’éprouvette, des conditions de température ambiante et des faibles niveaux de dommages causés par l’irradiation. Ceci est confirmé par l’absence de formation de bulles et de cavités observées.

Figure 9 : Essais mécaniques in situ. a) Image MEB du dispositif push-to-pull avec l’emplacement de l’échantillon de traction Zr mis en évidence. b) Image MET à faible grossissement du dispositif à partir de a). (c) Image TEM en fond clair à fort grossissement de la microstructure nanocristalline de Zr dans la région d’essai. Cette figure a été modifiée avec la permission de Springer Nature⁷⁵. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Des états de stress mécaniques supplémentaires peuvent être appliqués simultanément lors d’expériences TEM d’irradiation ionique in situ. La figure 10 montre les travaux sur le fluage induit par l’irradiation à haute température des nanopiliers^{d’Ag 67}. Celui-ci utilise un picoindenteur pour appliquer une contrainte contrôlée à un échantillon TEM. Les piliers ont été préparés à partir d’un film Ag de 1 m d’épaisseur cultivé sur du Si par broyage FIB. Les piliers ont été irradiés avec des ions 3 MeV Ag³⁺ . Les échantillons ont été chauffés à l’aide d’un faisceau laser de 1064 nm coïncidant avec le faisceau d’ions et le faisceau d’électrons. Les résultats de cette étude montrent que l’irradiation et la température combinées entraînent un taux de fluage plus rapide de plusieurs ordres de grandeur que l’irradiation à température ambiante et le fluage thermique à haute température.

Figure 10 : Fluage induit par les radiations. Taux de fluage induit par le rayonnement en fonction du diamètre du pilier à des contraintes de charge de 75 et 125 MPa (à gauche), images sélectionnées à partir de l’enregistrement vidéo d’un fluage induit par le rayonnement TEM in situ dans un nanopilier Ag irradié par des ions Ag 3 MeV (à droite). Ce chiffre a été modifié avec la permission d’Elsevier⁶⁷. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les considérations relatives à la préparation des nanopiliers pour l’irradiation ionique peu profonde ont été décrites en profondeur par Hosemann et ^al.76. L’un des facteurs clés à prendre en compte est la forme du nanopilier. À cette petite échelle, tout écart par rapport à la géométrie idéale peut avoir un impact important sur les performances mécaniques. Une pointe de prisme rectangulaire est bien meilleure qu’une pointe cylindrique en raison de l’effilement de la pointe dans une géométrie fraisée annulaire.

Ces résultats représentatifs démontrent une gamme de systèmes de matériaux, de méthodes de préparation et d’environnements complexes qui sont possibles avec l’irradiation ionique TEM in situ. Dans chaque cas, une préparation minutieuse des échantillons et une planification minutieuse des paramètres expérimentaux sont essentielles pour extraire des données significatives. On trouvera plus ample de détails sur ces considérations ci-dessous.

Discussion

Les procédures décrites dans le présent document sont propres à l’installation de GDT I³des Laboratoires nationaux Sandia, mais l’approche générale peut être appliquée à d’autres installations de RET d’irradiation ionique in situ. Il existe un groupe d’installations appelé Workshop On TEM With In situ Irradiation (WOTWISI), qui tient des réunions semestrielles pour discuter des microscopes électroniques à accélérateur d’ions. Il existe plusieurs installations au Japon, notamment à l’Institut japonais de recherche sur l’énergie atomique (JAERI)⁸ et à l’Institut national des sciences des matériaux (NIMS)⁹. Une autre installation capable d’irradiation ionique in situ est l’installation MIAMI (Microscope and Ion Accelerator for Materials Investigations) de l’Université de Huddersfield⁷⁷. CSNSM-JANNUS Orsay^{installation 78} équipée d’un TEM FEI Tecnai G² 20 fonctionnant à 200 kV et couplé à l’implanteur ionique IRMA. L’installation IVEM-Tandem du laboratoire national d’Argonne est une installation d’utilisation des sciences nucléaires¹⁰. Ces installations intègrent différemment les accélérateurs d’ions, ce qui se traduit par des angles d’intersection uniques entre le faisceau d’ions et le faisceau d’électrons. Certaines des installations japonaises introduisent le faisceau d’ions à 30-45° à partir du faisceau d’électrons, ANL et MAIMI de même à 30° JANNUS à un angle de 68°, et I³TEM et l’université de Wuhan ont des faisceaux d’ions normaux au faisceau d’électrons.

Selon le matériau et la forme de départ de l’échantillon, diverses techniques peuvent être utilisées pour préparer un échantillon pour le MET. L’échantillon doit être suffisamment mince (moins de 100 nm environ) pour être imagé dans un MET. Plusieurs méthodes de préparation des échantillons se trouvent dans le manuel des méthodologies de préparation des échantillons TEM³⁷. Les nanoparticules sont les plus faciles à couler. Les films minces déposés sur un substrat soluble sont également assez faciles à préparer (Figure 2). Les matériaux métalliques en vrac peuvent être préparés par polissage mince suivi d’un polissage à jet où la zone autour du trou est suffisamment mince pour l’observation TEM. La méthode de levage par faisceau d’ions focalisés (FIB) est une méthode bien connue pour la préparation d’une variété de matériaux pour la MET et a été décrite en profondeur précédemment 39,79,80. L’un des principaux avantages de la technique est la possibilité d’examiner de manière sélective des sites tels que les joints de grain et de phase. Un autre avantage est la variété de géométries d’échantillons possibles, notamment : feuilles, nanotension, nanopiliers et aiguilles de sonde atomique pour des environnements de stress supplémentaires ou des études corrélatives. L’inconvénient des échantillons préparés par FIB pour les expériences d’irradiation ionique in situ est que les dommages induits par le processus FIB contournent les dommages accumulés pendant l’expérience, ce qui rend difficile la détermination d’observations quantitatives. Des échantillons biologiques ou polymères peuvent être préparés par cryo-FIB ou cryo-microtomie, mais ces processus ne sont pas détaillés ici.

Lors de la planification d’expériences d’implantation ou d’irradiation de faisceaux d’ions, il est nécessaire de prendre en compte un certain nombre de paramètres importants pour les ions. La profondeur de pénétration, le flux/fluence et les dommages causés par les rayonnements sont des variables qui sont souvent contrôlées lors de l’étude des effets des rayonnements. Ces paramètres sont modélisés à l’aide de diverses techniques de simulation. SRIM est une simulation de Monte Carlo écrite pour calculer les profils de dépôt d’ions dans les matériaux exposés à des faisceaux énergétiques d’ions^21,81. Une alternative au SRIM est le modèle Robinson⁸² qui utilise une variété de fonctions pour modéliser les différentes physiques de l’interaction des ions à haute énergie dans les matériaux. Une autre solution est un modèle mis au point pour les effets d’événement unique dans les applications aérospatiales, qui peut être adapté pour être utilisé dans des expériences sur faisceaux d’ions⁸³. SRIM utilise l’équation de Kinchin-Pease⁸⁴ pour modéliser le déplacement des atomes par rayonnement. Le logiciel est facile à utiliser, et une gamme d’ions, d’éléments cibles et d’énergies ioniques peut être rapidement calculée avec une variété de sorties utiles. Cependant, le logiciel est limité dans le choix de modèles à utiliser et, comme il s’agit d’un programme Monte Carlo, il faut un grand nombre d’itérations, et proportionnellement plus de temps pour s’exécuter plus la simulation est grande. Le modèle Robinson utilise une version modifiée de l’équation de Kinchin-Pease⁸⁴ qui a une plus grande concordance avec les résultats expérimentaux, mais il est plus difficile à utiliser. En raison de son adoption généralisée et de sa facilité d’utilisation, les méthodes d’utilisation de SRIM ont été appliquées ici et sont généralement devenues la norme industrielle.

L’une des principales limites de la MET in situ multifaisceaux est la géométrie de l’échantillon. En raison de la nature de la MET en tant que technique d’imagerie par projection et du faisceau d’ions linéaire, l’ombrage du faisceau d’électrons ou des faisceaux d’ions peut affecter l’expérience. Les ombres du faisceau d’électrons et du faisceau d’ions peuvent être formées à partir de l’étage de l’échantillon, des montures et même d’autres parties de l’échantillon. Pour éviter l’ombrage de l’échantillon par la platine, la plupart des platines ont une limitation d’inclinaison entre 25° et 40°. Il faut également tenir compte des géométries où l’échantillon peut s’ombrager lui-même ou être ombragé par la grille TEM. Pour cette raison, lors du montage de l’échantillon, veillez à ce qu’il y ait le moins de risque d’ombrage possible. Pour le montage d’échantillons FIB sur des grilles de poteaux, cela signifie qu’il faut les fixer à l’extrémité du poteau au point le plus éloigné et le plus haut.

Pour les expériences impliquant une irradiation simultanée par plusieurs espèces d’ions, il y a des limites. Étant donné que les différentes espèces d’ions sont produites par différents accélérateurs ou sources, le deuxième faisceau doit être courbé par l’aimant dans la trajectoire du premier. Cet angle de flexion pour l’instrumentation décrite est d’environ 20°. Il doit y avoir un rapport élevé de rigidité de la poutre pour que la flexion aboutisse à des poutres colinéaires. La rigidité du faisceau (B_ρ) est définie par la quantité de mouvement totale divisée par la charge totale, elle peut être calculée par :

Équation (4)

Où p est la quantité de mouvement, q est la charge β est la proportionnalité de la vitesse de flexion des particules (β = ν/c), m₀ est la masse au repos de l’ion, c est la vitesse de la lumière et γ est le facteur de Lorentz relativiste :

Équation (5)

Cela signifie que pour les expériences multifaisceaux, il est préférable d’utiliser des ions lourds de haute énergie et des ions légers de basse énergie tels que l’Au et l’He respectivement. Si plusieurs faisceaux sont produits par le même accélérateur, ils doivent avoir le même rapport masse/énergie, par exemple ⁴He⁺ et ²D₂⁺. Les conditions d’imagerie peuvent également affecter les faisceaux d’ions. Le champ magnétique de la lentille d’objectif dans les modes d’imagerie à fort grossissement peut être suffisamment fort pour courber le chemin des ions. Gardez à l’esprit le type d’analyse souhaité lors de l’alignement des faisceaux d’ions.

Le contraste dans la MET peut provenir de différences d’épaisseur, de phase, d’ordre des cristaux et de chimie. Selon la caractéristique à examiner, il existe plusieurs types de conditions de contraste et d’imagerie qui doivent être prises en compte. Il est utile de comprendre les mécanismes à l’origine du contraste de diffraction et du contraste de phase. Il sera également utile de comprendre comment manipuler le microscope électronique pour obtenir des conditions d’imagerie dynamique à deux faisceaux, cinématique en champ clair et en fond noir à faisceau faible. Celles-ci sont décrites en détail dans Jenkins et Kirk, 2000-50.

Pour analyser les dislocations, plusieurs motifs de diffraction à différents angles doivent être indexés pour déterminer le vecteur de réseau de l’espace réciproque (g). Deux conditions d’imagerie de faisceau peuvent ensuite être utilisées pour déterminer le vecteur de Burgers des dislocations (b). En fond noir à faisceau faible, les dislocations peuvent être imagées avec une résolution et un contraste plus élevés. Cette méthode est appliquée lorsqu’il y a une forte densité de luxations ou de nombreux partiels. Pour calculer la densité de dislocation volumétrique, l’épaisseur de la feuille doit être mesurée avec précision dans la zone d’intérêt. Cela peut être fait à l’aide d’une technique telle que la spectroscopie de perte d’énergie électronique ou la diffraction d’électrons par faisceau convergent. Pour les joints de grains à faible angle, les dislocations dans la frontière peuvent être distinguées comme un réseau dans des conditions dynamiques à deux faisceaux. Pour les joints de grains à angle élevé, un grain est imagé dans des conditions dynamiques de deux faisceaux et l’autre dans des conditions cinématiques. Les frontières jumelles peuvent être caractérisées de la même manière. Les conditions d’imagerie de Fresnel sont utilisées pour visualiser les bulles et les vides remplis de gaz. Les petites cavités sont plus visibles lorsque l’image est légèrement floue et dans des conditions de diffraction cinématique. Des conditions sous-focalisées sont utilisées pour déterminer le diamètre réel. Les bulles peuvent également induire des champs de déformation pour lesquels des valeurs peuvent être estimées dans le cas de petites bulles. La cartographie automatisée de l’orientation des cristaux (ACOM) est utilisée pour cartographier plusieurs grains et leur orientation, de manière similaire à la diffraction par rétrodiffusion d’électrons (EBSD) dans le microscope électronique à balayage (MEB). Il est préférable que les cristaux soient épais pour éviter les interférences dues au chevauchement des motifs de diffraction.

Il est possible de mener des expériences avec d’autres facteurs de stress externes tels que la température et les contraintes mécaniques. La préparation des échantillons et les considérations expérimentales sont à peu près les mêmes que pour les expériences multifaisceaux. Il faut veiller à ce que la méthode de chauffage et la plage de température soient appropriées pour le matériau. La géométrie doit également être prise en compte pour éviter les effets d’ombre. Les supports spéciaux pour le chauffage ou les essais mécaniques auront des contraintes géométriques spécifiques et leurs spécifications devront être consultées¹⁴. Des combinaisons de ces facteurs de stress sont également possibles. Les essais mécaniques in situ nécessitent une préparation supplémentaire de l’échantillon à la géométrie appropriée. Il existe des étapes spécialisées pour les expériences visant à tester les performances mécaniques dans diverses conditions de charge telles que : la tension, la compression, la courbure, la fatigue et le fluage. Le chauffage in situ peut être effectué à la fois pendant l’irradiation et après l’irradiation pour les études de recuit. Les étages de chauffage à base de MEMS ou conducteurs peuvent être utilisés pour contrôler des températures allant jusqu’à 1000 °C. Des températures plus élevées peuvent être obtenues à l’aide d’un laser in situ pour chauffer des échantillons à quelques milliers de degrés Celsius³³. Les échantillons peuvent être soumis à différents environnements avec des supports in situ. Cela inclut divers gaz, liquides et même environnements corrosifs.

En résumé, les expériences TEM multifaisceaux in situ ont la capacité d’émuler des environnements extrêmes et d’observer la microstructure et l’évolution des matériaux en temps réel à l’échelle nanométrique. La compréhension des mécanismes fondamentaux régissant les processus dynamiques acquise grâce à ces expériences peut aider à éclairer les modèles prédictifs qui ouvrent la voie à la conception de matériaux de nouvelle génération. Il est important de préparer les échantillons comme décrit pour assurer les meilleures chances de réussite de l’expérience.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Accélérateur Colutron Colutron	Research Corporation	G-1	Accélérateur ionique 10 kV
Cu Omniprobe Lift-Out Grid avec 4 poteaux	Ted Pella	DM71302	Cu Omniprobe Lift-Out Grid avec 4 poteaux
Double Tilt Cryo TEM Stage	Gatan	DT636	Refroidissement cryogénique Double tilt Support TEM
Heating Double Tilt Stadium	Gatan	DT652	Support TEM à double inclinaison équipé d’un chauffage résistif
I3TEM	JEOL	JEM-2100	Microscope électronique à transmission modifié pour irradiation ionique in situ
Isopropanol	Fisher Scientific	A459-4	70 % v/v isopropanol
Mo Omniprobe Lift-Out Grid avec 4 poteaux	Ted Pella	DM810113	Mo Omniprobe Lift-Out Grid avec 4 poteaux
Boîte de Pétri	Fisher Scientific	Corning 316060	60 mm diamètre 15 mm hauteur boîte de Pétri
Picoindenter TEM Stage	Bruker Hysitron	PI95	Picoindenter TEM Stage
Scios 2	Thermofisher Scientfic	SCIOS2	Microscope électronique à balayage à faisceau d’ions focalisés à double faisceau
Accélérateur tandem	High Voltage Engineering Corporation		6 MV Accélérateur d’ions Van de Graaff-Pelletron
Pince
épiler	PELCO 5373-NM		Pince à épiler à fermeture automatique à action inverse à pointe fine