Modélisation de la diffusion des électrons dans des lames minces observées à l'aide d'un détecteur HAADF au MEB

Ce mémoire de maîtrise présente les plus récents développements théoriques sur la technique de microscopie électronique à balayage en transmission (STEM) utilisant un détecteur annulaire en fond sombre d'électrons diffusés à grands angles (HAADF) dans un microscope électronique à balayage (MEB). Le programme de simulation de trajectoires électroniques dans la matière CASINO a été utilisé pour simuler le signal HAADF en MEB et le contraste chimique d'une sélection d'échantillons pour quelques combinaisons des paramètres opérationnels du MEB et de l'échantillon qui sont la tension d'accélération des électrons, l'épaisseur de l'échantillon et la distance entre l'échantillon et le détecteur pour des dimensions données du détecteur. Les effets de la taille et de la position d'une seconde phase contenue dans la matrice qui constitue un échantillon mince ont aussi été analysés. Ces résultats préliminaires ont dévoilé une variation non-monotone du signal HAADF avec la composition chimique des échantillons et des paramètres opérationnels. Un programme de simulation de trajectoires électroniques dans la matière, MatSTEM, a donc été développé dans le but d'automatiser l'exécution en lots de simulations pour l'obtention d'une cartographie complète du signal HAADF, pour toutes les combinaisons des paramètres opérationnels et une plage plus complète de compositions d'échantillons. Cette cartographie a été adaptée sous la forme d'une base de données afin d'en faire un outil pour l'accompagnement d'observations HAADF en MEB et l'interprétation du contraste d'imagerie et l'optimisation des paramètres opérationnels pour un échantillon donné.

Abstract

This Master's thesis presents the latest theoretical developments on the Transmission Scanning Electron Microscopy (STEM) technique using a high-angle annular dark-field electron detector (HAADF) in a scanning electron microscope (SEM). The Monte Carlo simulation program CASINO was used to simulate the HAADF signal in SEM and the chemical contrast of a sample selection for some combinations of the operational parameters of the SEM and the sample which are the electrons accelerating voltage, the sample thickness and the distance between the sample and the detector for given detector dimensions. The effects of the size and position of a second phase contained in the matrix that constitutes a thin sample were also analyzed. These preliminary results revealed a non-monotonic variation of the HAADF signal with the chemical composition of the samples and operational parameters. An electron trajectories in matter simulation program, MatSTEM, has been developed in order to automate the execution in batches of simulations to obtain a complete mapping of the HAADF signal, for all combinations of operational parameters and a more complete range of sample compositions. This mapping was adapted in the form of a database in order to build a tool to use with the HAADF observations in SEM and to allow the interpretation of the image contrast and the optimization of the operational parameters for a given sample.