ERDA

L’ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis, ou détection des atomes de recul élastique) permet la détection des éléments légers, hydrogène, deutérium, avec une sensibilité inférieure à la monocouche. C’est la technique de référence sur SAFIR pour doser l’hydrogène, invisible en RBS classique.

Principe physique

Contrairement à la RBS, qui analyse les ions incidents rétrodiffusés, l’ERDA analyse en énergie les atomes de la cible éjectés (« de recul ») lors d’une collision élastique à faible paramètre d’impact. Le faisceau d’analyse est envoyé en incidence rasante sur l’échantillon, et la détection se fait vers l’avant. L’énergie de l’atome de recul dépend :

  • De la profondeur à laquelle a lieu la collision (perte d’énergie à l’aller comme au retour)
  • De la masse de l’atome de recul (facteur cinématique, comme en RBS)
Schema ERDA : faisceau 4He incident sur echantillon, noyaux de recul 1H/2H (signal detecte), faisceau 4He diffuse, absorbant et detecteur ERDA

Caractéristiques techniques

  • Faisceau incident : ⁴He⁺, typiquement 2 MeV pour l’hydrogène, 1,8 MeV pour le deutérium
  • Géométrie : incidence rasante (θlab = 30°, tilt = 75° en géométrie standard SAFIR)
  • Détecteur : détecteur silicium, écran absorbant (mylar, ~10 µm) devant le détecteur pour arrêter les ions incidents diffusés
  • Sensibilité : quelques monocouches dans les cas favorables
  • Résolution en profondeur : 10 nm en surface
  • Profondeur analysée : de l’ordre du micron, selon le pouvoir d’arrêt de la matrice

Avantages

  • Sensibilité à l’hydrogène et au deutérium
  • Traçage isotopique H/D possible grâce à des cibles de référence en polystyrène deutéré
  • Comble le point aveugle de la RBS sur les éléments plus légers que l’ion incident
  • Analyse quantitative directe par comparaison à une référence

Limitations

  • Désorption possible d’hydrogène sous faisceau : nécessite de limiter la dose par point d’analyse
  • Sensible à la pollution de surface (hydrocarbures atmosphériques), qui peut fausser le dosage de faibles quantités
  • Résolution en profondeur qui se dégrade rapidement avec la profondeur, du fait de la dispersion en énergie liée à l’incidence rasante

Applications typiques sur SAFIR

  • Dosage de l’hydrogène et du deutérium dans des couches minces (polymères, oxydes, semi-conducteurs)
  • Étude de la dégradation et de l’interdiffusion de films polymères sous irradiation
  • Suivi de l’hydrogénation/déshydrogénation de matériaux fonctionnels

Complémentarité avec les autres techniques

L’ERDA est directement complémentaire de la RBS, qui ne détecte pas les éléments plus légers que l’ion incident : les deux techniques sont souvent mises en œuvre avec le même faisceau de ⁴He sur le même échantillon, pour obtenir un profil complet incluant l’hydrogène.

Publication de référence

X. Wu, A. Seyeux, I. Vickridge, S. Voyshnis, P. Marcus, « ToF-SIMS and ERDA study of hydrogen and deuterium in nickel-base alloys oxidized in water », Corrosion Science, 2018. Voir sur HAL