Annexe B Le traitement des clichés de haute résolution

Une des méthodes les plus utilisées pour déterminer la structure des nanocristaux est la microscopie électronique à haute résolution (HRTEM)[104, 105]. L'interprétation des images obtenues est souvent très difficile et elle est très fortement dépendante du réglage et de la mise au point du microscope. C'est pour cela que, afin de déterminer la structure cristalline, il est indispensable d'effectuer des traitements d'image et des simulations des images obtenues. On procède le plus souvent en quatre étapes:

Etude expérimentale à haute résolution de l'échantillon à étudier et calcul du Power Spectra (PS) de l'image , qui est la transformée de Fourier au carré de l'image
Construction d'un modèle atomique du nanocristal étudié
Calcul de l'image haute résolution de ce modèle
Calcul du Power Spectra de l'image à 2d

Les résultats expérimentaux sont par la suite comparés aux images et PS calculés.
La première étape consiste donc dans l'acquisition de clichés de haute résolution et dans l'analyse de l'image obtenue; dans notre cas la haute résolution a été réalisée au Fritz Haber Institute à Berlin avec un microscope Philips CM 200 FEG; il opère à 200 kV et la source d'électrons est une "Field emission gun". Avec un tel microscope on peut résoudre des plans réticulaires d'une distance de l'ordre de 1.5 Å; ceci nous a permis de résoudre suffisamment de plans réticulaires pour pouvoir déterminer la structure des nanocristaux de CdS. Une fois les images obtenues, on scanne les clichés les plus intéressants en choisissant les nanocristaux qui présentent un nombre élevé de plans réticulaires visibles. Sur ces images on effectue ce qu'on appelle le Power Spectra (PS). Les PS obtenus nous donnent donc la périodicité du cristal et les distances interplans. Mais ceci n'est pas aussi simple qu'on peut l'imaginer, il y a en effet plusieurs facteurs qui font que l'on peut ou que l'on ne peut pas observer les diffractions de certains plans, comme par exemple:

L'orientation du nanocristal sous le faisceau d'électrons
La mise au point du microscope lors de l'acquisition de l'image

En effet si l'échantillon n'est pas parfaitement orienté suivant un axe cristallographique, il peut y avoir extinction de certaines diffractions ou variation des angles entre les spots du PS. De la même façon, si on ne règle pas parfaitement le microscope, il peut y avoir disparition de la diffraction de certaines familles de plan réticulaires.
Pour ces raisons, mais aussi parce que les structures des nanocristaux sont souvent complexes, il est indispensable d'effectuer la simulation de l'image haute résolution en partant d'un ou de plusieurs modèles atomiques du nanocristal. Dans notre cas on a construit 4 modèles de particules triangulaires de structures différentes:

Wurtzite
Wurtzite avec un défaut d'empilement
Zinc-blende avec un défaut d'empilement
Zinc-blende

Le calcul de l'image haute résolution, à partir de ces modèles de nanocristaux, est effectué avec la méthode "multislice" (à plusieurs couches) développée par Cowley[106] et Goodman[107]. Les images sont calculées pour plusieurs orientations du nanocristal. On calcule par la suite le PS de ces images calculées et on les compare avec les images et les PS expérimentaux. Ceci nous permet de déterminer la structure exacte des nanocristaux[108].
Nous allons maintenant voir étape par étape le déroulement d'une simulation. Avant tout on construit le modèle du nanocristal que l'on veut étudier avec le module "Crystal Builder" du logiciel Cerius. En Figure B.1 est représentée une nanoparticule triangulaire de CdS de structure Wurtzite alignée suivant la direction [0 0 1].

Figure B.1 : Nanoparticule de CdS de forme triangulaire de structure Wurtzite alignée suivant la direction [0 0 1]

Ce modèle est ensuite chargé dans le module "HRTEM" du même logiciel. Dans ce module il faut introduire les paramètres suivants afin que l'image calculée soit comparable à celle réalisée expérimentalement; ces réglages sont:

L'orientation du nanocristal par rapport au faisceau incident
L'énergie du microscope
La fonction de contraste du microscope qui dépend de l'énergie, du coefficient d'aberration sphérique et de la mise au point (defocus) du microscope.

On peut ensuite lancer la simulation. Ce type de simulation produit quatre graphiques:

La projection des électrons dans le cristal
La diffraction électronique
L'image haute résolution du cristal simulée
Le power spectra de l'image simulée

Sur la figure B.2 on représente les résultats obtenus.

Figure B.2 : Simulation du nanocristal représenté sur la figure B.1
- Haut à gauche: projection des électrons dans le cristal
- Haut à droite: diffraction électronique
- Bas à gauche: image haute résolution
- Bas à droite: power spectra de l'image simulée

En conclusion, cette technique est la plus puissante afin de déterminer la structure de nanocristaux, mais elle requiert énormément de moyens: un microscope électronique très performant et tous les outils informatiques pour effectuer les traitements d'image et les simulations.