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)
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