La cathodoLuminescence, - Université de Mons

FICHE Pédagogique N°2La cathodoluminescence,une méthode pour pister de nouveaux gisementsy Maxime Duménil et Dominique WynsbergheExpert scientifique : Jean-Marc BaeleDans le service de Géologie de la Faculté polytechnique de Mons, les chercheurs utilisent une méthodepeu conventionnelle pour mettre en évidence la structure des minéraux et leurs défauts. Ces défautssont intéressants car ils sont révélateurs des conditions de formation du minéral et constituent ainsiune véritable empreinte génétique. Cette information est très précieuse car elle pourrait permettre dedécouvrir de nouveaux gisements. Cette méthode est appelée la « cathodoluminescence ».1. Principe de lacathodoluminescenceLorsqu’un solide est bombardé par un faisceauconcentré d’électrons, celui-ci réémet des électronset émet des photons. Parmi ces photons, noustrouvons les rayons X – bien connus des radiologues– ainsi que des photons produits par un phénomènede luminescence (émission de lumière) dans lesdomaines de l’ultraviolet (UV), de l’infrarouge (IR)et du visible (fig. 1). En fait, c’est précisément surce principe que repose le fonctionnement de nosvieux écrans de télévision, dont le tube cathodiquen’était rien d’autre qu’un canon à électrons qui bombardaitla face interne de l’écran recouverte d’unesubstance cristalline de synthèse aux propriétéscathodoluminescentes.La cathodoluminescence va s’intéresser aux émissionsdans la gamme du visible mais égalementdans le proche infrarouge. De là à en déduire que leschercheurs pourront observer l’émission de cathodoluminescenceà l’oeil nu, il n’y a qu’un pas. Oui,mais l’intensité de l’émission est trop faible pourêtre directement observable. Il faudra donc utiliserEmissions de rayons XEmissions d’uneluminescence dans l’UV,l’IR et le visibleFaisceau concentré d’électronsEchantillonEmission d’électronsFigure 1 : Émissions produites lorsqu’un faisceau d’électrons bombardeun solide.une caméra à haute sensibilité pour pouvoir l’observer.Un matériel de pointe va donc être nécessaire.Pour détecter la lumière dans le proche infrarouge,par contre, c’est très simple : le capteur CCD 1 dela caméra, qui est identique à celui des appareilsphotos et caméscopes numériques grand public, estutilisé « à nu », c’est-à-dire sans aucun filtre placéD’où provient l’émission de cathodoluminescence ?Le faisceau concentré d’électrons interagit directement avec lastructure même de la matière, c’est-à-dire avec l’atome. Rappelonsqu’un atome est composé d’un noyau (protons et neutrons) et d’unnuage d’électrons composé de plusieurs couches qui gravitentautour du noyau (fig. 3). De manière très simplifiée, le faisceauexcite les électrons de l’atome, les électrons absorbent de l’énergieet passent à un état « excité » (fig. 4).Ensuite, les électrons retombent àl’état fondamental en émettant desphotons (ondes électromagnétiques).Plus l’écart d’énergie entre l’étatexcité et fondamental est grand,plus l’énergie des photons émis estgrande. Si le solide est sans aucundéfaut, ce qui est très rare, l’émissiona une énergie tellement grandequ’elle est invisible car constituéede rayons UV, voire de rayons X (àgauche). Par contre, lorsque desdevant. Les capteurs CCD sont en effet sensiblesà l’infrarouge et cela gênerait fortement nos appareilsnumériques de tous les jours s’ils n’étaientpas équipés d’un filtre bloquant ce rayonnement(fig. 2). D’ailleurs, les caméscopes permettant lavision de nuit ne font rien d’autre qu’enlever cefiltre à la demande...Figure 3 : Structure d’un atome(astro-canada.ca)Figure 4 : Principe physique de l’émission de cathodoluminescencedéfauts sont présents dans le solide, ils créent des niveaux intermédiaires par lesquels lesélectrons excités peuvent retomber en cascade (en pointillés dans le schéma au centre). Lesphotons émis à chaque pas ont alors une énergie plus faible, ce qui se traduit par une émissiondans le visible. S’il y a trop de défauts, c’est-à-dire beaucoup de niveaux intermédiaires,l’émission de cathodoluminescence redevient invisible car constituée uniquement de petitesémissions dans l’infrarouge (à droite). Les défauts dans le solide peuvent être créés par la présenced’impuretés chimiques, comme par exemple des terres rares (samarium, néodyme, etc.)Figure 2 : Sensibilité spectrale d’un capteur d’appareil photo numériqueCCD nu (en haut) et équipé d’un filtre anti-infrarouge (en bas)1 Charge-couped device (dispositif à transfert de charge)Fiche pédagogique issue du Polytech News n°47 | 1

FICHE Pédagogique n°2Les ondes électromagnétiquesLes rayons X, les ultraviolets, les infrarouges et la lumière visible sont des ondes électromagnétiques.Ces ondes peuvent être classées selon leur longueur d’onde.De manière simplifiée, nous pouvons assimiler une onde électromagnétique à une sinusoïde.La longueur d’onde peut se mesurer entre deux crêtes successives, comme illustré ci-dessous.Le domaine des longueurs d’onde de la lumière visible, perceptible par l’oeil humain, s’étendde 380 nm (limite entre le violet et l’ultraviolet) à 780 nm (limite entre le rouge et l’infrarouge).polie et l’autre collée sur une lame de verre (fig. 8).Cette préparation est appelée lame mince.Comment obtenir une lame mince à partir du minéralbrut ? Tout d’abord, le minéral est scié à l’aided’une scie circulaire dont la lame a été imprégnéede diamant. Un petit bloc de la taille d’un morceaude sucre est obtenu. Une des faces de ce morceauest aplanie à l’aide d’un tour à plateau horizontal.Puis, elle est collée sur une plaque de verre avec unerésine spéciale. Ensuite, l’excédent est découpé pourréduire son épaisseur à moins d’un millimètre. Il estune nouvelle fois aminci et poli sur le tour pour arriverà une épaisseur finale de 30 micromètres, soit environtrois fois plus mince que le diamètre d’un cheveu! À cette épaisseur, le minéral est transparent à lalumière, ce qui n’est pas nécessaire pour l’analyseen cathodoluminescence mais permet d’effectuerd’autres analyses.Figure 5 : Spectre électromagnétique2. Le dispositif decathodoluminescenceIl est constitué d’un microscope optique classiqueéquipé d’un canon à électrons, d’un ensemble defiltres optiques, d’un spectromètre et d’une caméraà haute sensibilité (fig. 6).L’échantillon est placé dans une chambre danslaquelle on fait le vide afin de permettre aux électronsde former un faisceau le plus stable possible(1). Le canon à électrons (2) génère un faisceauconcentré d’électrons qui est dirigé sur l’échantillon.La caméra à haute sensibilité (3) filme lalumière emise par l’échantillon et éventuellementune réglette de filtres (4) permet de sélectionnerune longueur d’onde particulière. L’image filméeest affichée sur l’écran d’ordinateur auquel lacaméra est raccordée. Complémentairement, ilest possible d’analyser le spectre de la lumièreémise par cathodoluminescence en une petitezone donnée en utilisant un spectromètre (5). Lafigure 7 est un exemple de résultat obtenu par cetteméthode sur un échantillon contenant des minérauxde phosphate de calcium appelé « apatite ».Dans cet exemple, les différents pics d’émissiondans le spectre permettent de mettre en évidencela présence des terres rares suivantes : samarium(Sm), dysprosium (Dy) et néodyme (Nd), qui ont chacunedes longueurs d’onde d’émission qui leurssont propres et que l’on connaît d’avance. En filtrantl’image avec les filtres optiques appropriés, on peutensuite révéler quelles zones contiennent quellesterres rares en particulier.Préparation de l’échantillonL’échantillon à étudier ne peut être observé directementau microscope. Il doit être préparé sous laforme d’une très mince tranche dont une face est3. Résultats etinterprétationsFigure 8 : Lame mincePour bien comprendre les explications qui vontsuivre, il faut tout d’abord bien comprendre le processusde formation d’un cristal.Figure 6 : 1. Chambre à échantillon - 2. Canon à électrons - 3. Caméra àhaute sensibilité - 4. Réglette comportant des filtres (qui permettentd’isoler une longueur d’onde en particulier) - 5. SpectromètreFigure 7 : Exemple de résultats obtenus en cathodoluminescence avec 1) la caméra sans filtre, 2) le spectromètre et 3)la caméra avec un filtre ne laissant passer que la lumière dont la longueur d’onde est autour de 900 nm pourrévéler la distribution du néodyme dans l’échantillon, qui n’était pas visible dans l’image 12 | Fiche pédagogique issue du Polytech News n°47