Il peut être avantageux de vérifier des images hyperspectrales pour l’existence de phases chimiques sans appliquer de connaissances préalables. ESPRIT AutoPhase de Bruker trouve automatiquement des régions d’échantillons de composition similaire en analysant une HyperMap basée sur l’analyse des composantes principales des spectres. La sensibilité de cette procédure peut être ajustée. L’approche est démontrée en utilisant une structure multicouche en coupe comme exemple.

La première image montre la carte quantitative des éléments mixtes de l’échantillon, la deuxième image montre certaines des phases chimiques distinctes existantes. Ceux-ci peuvent être trouvés automatiquement par la procédure AutoPhase ou en attribuant des régions d’échantillon particulières, qui doivent être traitées comme une phase chimique lors d’une analyse ultérieure de la carte complète par la procédure. La composition des phases trouvées dans les deux sens peut être révélée et attribuée à une substance spécifique existante, si celle-ci est connue. La définition ou « l’attribution » des régions de spécimen à utiliser pour l’analyse de phase de la carte entière peut être basée sur une connaissance préalable du spécimen ou sur la base d’informations obtenues par une première hypothèse moins l’exécution d’AutoPhase.

Pour la démonstration, trois zones représentatives intéressantes de la carte d’éléments ont été assignées ici après une première exécution d’AutoPhase. Ces zones sont délimitées par deux grands rectangles et une zone circulaire plus petite. Le résultat de la prochaine exécution d’AutoPhase pour l’ensemble de la carte est affiché dans la deuxième image. Deux phases différant par leur teneur en Zn et en Cd, l’intérêt réel de l’étude, défini à partir de la zone 1 et de la zone 3, a été correctement localisé sur l’ensemble de la carte. La contamination par le carbone sur la surface de l’échantillon causée par l’exposition au faisceau électronique a été trouvée et localisée correctement comme une autre phase spécifique également à d’autres endroits que ceux précédemment attribués par la zone 2. La région grise à gauche est apparemment composée différemment des trois phases pré-attribuées. et n’a donc pas pu être attribué.

L’échantillon est constitué d’une sphère de SiO2 recouverte de fines couches nm de tantale (Ta), de ruthénium (Ru) et d’un mélange de cobalt (Co), de platine (Pt), de chrome (Cr) et d’oxygène (O). La couche supérieure a une structure de type hérisson, comme cela ressort clairement de l’image HAADF corrigée des aberrations. Avec EDS dans un STEM conventionnel, il a été possible de localiser les éléments et d’obtenir une image plus claire de la structure en couches. Il est – par exemple – assez facile de distinguer les couches de graines constituées de Ru et de Ta après avoir quantifié la carte en utilisant le binning 8 x 8 pour améliorer les statistiques de cette mesure rapide. Les cartes d’éléments mixtes permettent un certain nombre de conclusions, qui sont très importantes pour les propriétés et le processus de production des couches magnétiques fonctionnelles :

a) Co et Pt sont répartis uniformément dans la couche supérieure

b) Co et Pt forment un film fermé à la base des monocristallites provoquant une connexion magnétique et un comportement de commutation facile

c) Le Cr semble concentré à la surface même de la structure.

Cartographie à haute résolution utilisant EELS dans un STEM corrigé en Cs, publié dans APL (Magnetic hedgehog-like nanostructures, C. Brombacher, M. Falke, F. Springer, H. Rohrmann, A. Goncharov, T. Schrefl, A.Bleloch, M. Albrecht Appl. Phys. Lett. 97, (2010) 102508. DOI : 10.1063/1.3486679) montre que l’oxyde de Cr isole les parties extérieures des cristallites simples de Pt-Co de cette structure en forme de hérisson les unes des autres, de sorte que l’anisotropie magnétique peut être utilisée pour des applications d’appareils, comme le stockage de données.

EDS pour les sciences de la vie

Cartographier une cellule de levure

L’EDS en S/TEM est particulièrement utile si de nombreux éléments d’un matériau doivent être déterminés en même temps. C’est le cas pour de nombreuses applications des sciences de la vie. Les figures montrent une application intéressante, une cellule de levure, qui a été colorée à l’osmium et marquée à l’argent. La carte EDS acquise en 24 minutes à un angle solide de 0,12 sr et un angle de décollage de 22° reproduit clairement l’étiquetage Ag (qui apparaît sous forme de petites caractéristiques sombres sur l’image en champ clair) mais, en plus, l’EDS fournit la distribution de tous les autres éléments de cet échantillon cellulaire ; par exemple N, C, S et P. En outre, les cartes d’éléments mixtes fournissent des informations intéressantes car elles corrèlent la distribution des différents éléments. Les figures contiennent deux exemples d’affichage mixte, une carte d’éléments de C et O et une de N, Os et Ag.

Les performances largement améliorées du TEM-EDS invitent à de nouvelles expériences de caractérisation à l’échelle nanométrique en sciences de la vie.

Image en fond clair et cartes à un seul élément d’une cellule de levure

Cartographie des éléments in situ à des températures élevées

L’utilisation de supports chauffants, ou de toute autre cellule de réaction in situ, adaptée à la microscopie électronique et à l’EDS, permet de surveiller l’effet du traitement des matériaux in situ ou in-operando au microscope électronique. Cela signifie que les informations sur les changements de structure et de composition des éléments sont disponibles qualitativement et quantitativement avec une résolution spatiale élevée.

La microscopie électronique est le moyen d’étudier les matériaux avec une résolution spatiale élevée. La spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie ( EDS ) au microscope électronique permet de cartographier les distributions d’éléments à l’échelle nanométrique. Et enfin, l’utilisation de supports chauffants, ou de toute autre cellule de réaction in situ, qui conviennent à la microscopie électronique et à l’EDS, permet de surveiller l’effet du traitement des matériaux in situ ou in-operando au microscope électronique. Cela signifie que les informations sur les changements de structure et de composition des éléments sont disponibles qualitativement et quantitativement avec une résolution spatiale élevée.

Cartes d’éléments EDS pour surveiller les changements de structure et de composition des particules pendant le chauffage de 800°C à 1000°C

Un échantillon de test Pt-Pd a été étudié à diverses températures élevées à l’aide du Wildfire, d’un support chauffant basé sur MEMS à partir de solutions DENS et d’un système Bruker  QUANTAX EDS  avec un détecteur XFlash ^® 6T 30 sur un microscope électronique à transmission à balayage standard (STEM). Le détecteur avec ^une surface active de 30 mm2 atteint un angle de collecte de 0,09 sr à un angle de décollage de 22° dans le STEM utilisé. Le porte-échantillon est d’une nouvelle conception spéciale pour une meilleure stabilité thermique dans la direction z, ce qui permet de surveiller facilement la même zone d’échantillon entre la température ambiante et 1000°C. Le système EDS a fourni des temps de cartographie appropriés d’une carte d’éléments de quelques minutes à chaque étape de température.
La figure 1 montre le développement des nanoparticules de Pt-Pd avec une température croissante.
La figure 2 montre comment le développement de la taille et de la composition du nombre de particules peut être surveillé quantitativement à l’aide d’une analyse de phase basée sur PCA et d’une couverture de surface.

Cartographie des éléments EDS à différentes températures et développement de la couverture surfacique de 3 phases assignées : substrat, Pd et Au