Le centre de caractérisation et de fabrication des matériaux est au service du monde universitaire et de l'industrie

Nina Heinig est un chercheur en matériaux qui dirige le Waterloo Advanced Technology Laboratory (WATLab), un centre de recherche multidisciplinaire sur la caractérisation et la fabrication des matériaux situé à Waterloo, au Canada. Elle parle à Hamish Johnston des instruments et services du WATLab et de la manière dont ils sont utilisés par les chercheurs dans un large éventail de domaines.

WATLab est une installation de métrologie multi-utilisateurs du Département de chimie de l'Université de Waterloo. Il a été créé en 2000 par le professeur Kam Tong Leung et ses deux premiers instruments étaient un microscope à émission de champ Leo 1530 et un outil de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) VG EscaLab. Aujourd'hui, les instruments les plus couramment utilisés comprennent les microscopes électroniques à balayage (MEB), le XPS, un microscope électronique à transmission haute résolution (HRTEM), les systèmes de lithographie par faisceaux d'électrons et d'ions (fournis par Raith), la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS), ainsi que microscopie à force atomique, diffraction des rayons X et spectroscopie d'imagerie Raman. Nous disposons également d'outils plus spécialisés, tels qu'un microscope à hélium ionique Zeiss et un microscope d'imagerie Thermo VG Auger, dont la liste complète est disponible sur notre site Web, watlabs.com.

Pendant la pandémie de COVID-19, nous avons opté pour le service à distance. Cependant, nous sommes désormais revenus à notre combinaison habituelle de métrologie opérée par l'utilisateur (principalement SEM) et de service par l'opérateur. L’éducation représentait une grande partie du mandat initial de nos agences de financement, et nous proposons de courtes formations sur l’utilisation sûre et efficace de certains outils. La plupart des projets impliquent également des discussions avec les utilisateurs sur la manière d'interpréter leurs résultats et de comprendre les limites des données. Cependant, une grande partie de notre financement repose sur un modèle de rémunération à l'acte, de sorte que des discussions approfondies et l'utilisation par les utilisateurs de nos outils plus complexes et plus coûteux ne sont tout simplement pas rentables.

La plupart de nos utilisateurs sont des étudiants et des professeurs de l'Université de Waterloo, ainsi que des entreprises technologiques locales. Nous aidons également les chercheurs des universités et des entreprises en démarrage de partout au Canada et aux États-Unis. La plupart de nos outils et de notre expertise sont liés aux matériaux inorganiques tels que les métaux, les céramiques et les semi-conducteurs, bien que nous ayons réalisé plusieurs projets dans les domaines des polymères et des sciences de la vie. Notre base d'utilisateurs à Waterloo couvre la chimie, la physique, les sciences de la Terre et l'environnement. Nous travaillons également avec des personnes de départements d’ingénierie, notamment en génie mécanique, chimique, civil et de conception de systèmes – et nous réalisons des projets occasionnels avec des personnes d’autres départements universitaires.

Nos outils les plus populaires sont les microscopes électroniques à balayage à émission de champ avec spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (SEM/EDS). En nanosciences, la capacité d’observer et d’analyser facilement des matériaux à l’échelle de plusieurs dizaines de nanomètres est l’une des raisons pour lesquelles ce domaine s’est autant développé ces dernières années.

Après cela, l'outil VG-ESCALab XPS est l'équipement le plus réservé par nos utilisateurs. XPS est un outil puissant pour analyser l’état de valence de divers composés. Par exemple, le graphite a des liaisons carbone avec une hybridation sp2 et une hybridation diamant sp3. Ces différentes structures de liaison peuvent être observées dans le XPS comme un déplacement du pic d’énergie cinétique du carbone. Un autre avantage du XPS est son extrême sensibilité de surface. XPS ne sonde normalement qu'un ou deux nanomètres de la surface de l'échantillon, sans aucun bruit provenant du substrat sous-jacent. Cela permet d’analyser avec précision les matériaux en couches minces.

Localement, nous avons aidé au dépannage de la fabrication et à l'assainissement de l'environnement. Un membre du corps professoral des sciences de la Terre avait un projet visant à déterminer la présence et la forme d'arsenic dans le sol à proximité d'un site minier. Nous avons analysé un grand nombre d'échantillons en lames minces avec le SEM pour trouver les minéraux d'arsenic fortement précipités, et les avons évalués avec EDS et XPS pour déterminer si les composés d'arsenic étaient inertes ou actifs pour l'environnement.

Un projet plus ancien de BlackBerry, basé à Waterloo, consistait à évaluer les matériaux de leur chaîne d'approvisionnement pour détecter la présence de chrome hexavalent, qui est cancérigène et interdit dans l'Union européenne. Étant donné que diverses valences de chrome sont couramment utilisées dans les pigments et que seul le chrome hexavalent est dangereux, l'ESCALab a été utilisé pour déterminer l'état de liaison du chrome dans les matériaux.