Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Outil polyvalent, les faisceaux d’ions permettent d’aborder non seulement la synthèse de nouveaux matériaux, mais aussi l’analyse structurale et chimique de systèmes complexes. Après une présentation des phénomènes physiques impliqués (pouvoir d’arrêt, création de défauts), l’article se consacre à la mise en œuvre des faisceaux d’ions (production, tri en masses, dispositifs expérimentaux). Lorsque les faisceaux d'ions sont utilisés en tant qu'outils de modifications contrôlées des échantillons, plusieurs paramètres sont ajustables suivant l’objectif recherché (création de défauts, mise en ordre, synthèse de nouvelles phases). Lorsque le faisceau d'ions est destiné à l’analyse, soit l’échantillon à étudier est la source de production des ions, soit il est la cible bombardée par un faisceau d’ions légers.
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Ion beams, a polyvalent tool, allow for approaching not only the synthesis of new materials but also the structural and chemical analysis of complex systems. After presenting the involved physical phenomena (stopping power, creation of defects), the article focuses on the implementation of ion beams (fabrication, mass sorting, experimental devices). Where ion beams are utilized as tools for controlled modifications of samples, several parameters can be adjusted according to the pursued objective (creation of defects, ordering, synthesis of new phases). Where the ion beam is destined to analysis, the sample is either the source of production of the ions or the target bombarded by a beam of light ions.
Auteur(s)
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Franck FORTUNA : Centre de Spectrométrie Nucléaire et Spectrométrie de Masse (CSNSM), CNRS, université Paris-Sud Centre d'Orsay
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Erwan OLIVIERO : Centre de Spectrométrie Nucléaire et Spectrométrie de Masse (CSNSM), CNRS, université Paris-Sud Centre d'Orsay
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Marie-Odile RUAULT : Centre de Spectrométrie Nucléaire et Spectrométrie de Masse (CSNSM), CNRS, université Paris-Sud Centre d'Orsay
INTRODUCTION
Les faisceaux d'ions peuvent être vus comme un outil polyvalent permettant d’aborder, aussi bien la synthèse de nouveaux matériaux, que l’analyse structurale et chimique de systèmes complexes. Leur emploi apporte un paramètre supplémentaire à l’expérimentateur, pour parcourir les diagrammes de phase : le système restant figé (à la manière d’une trempe) dès que l’on coupe le faisceau.
Après une présentation des phénomènes physiques impliqués (pouvoir d’arrêt, création de défauts), nous aborderons ici la mise en œuvre des faisceaux d’ions (production, tri en masses, dispositifs expérimentaux).
Nous distinguerons par la suite deux modes d’utilisation des faisceaux d’ions, l’analyse et la synthèse. Lorsque le faisceau d'ions est destiné à l’analyse, deux types d'expériences se présentent. Dans le premier cas, l'échantillon à étudier est la source de production des ions et l'analyse consiste à trier en masse les ions extraits, elle est alors destructive. Dans le second, l’analyse résulte de l’interaction d’un faisceau d’ions légers avec l’échantillon qui est alors la cible. Suivant la nature de l'analyse, différents types de détecteurs permettent de quantifier l'énergie des particules diffusées par l'échantillon (fluorescence, rétrodiffusion...).
Lorsque l’on utilise les faisceaux d'ions en tant qu'outils de modifications contrôlées des échantillons, plusieurs paramètres (énergie, flux, dose, nature du faisceau, température de la cible) sont ajustables suivant l’objectif recherché (création de défauts, mise en ordre, synthèse de nouvelles phases ou encore la modification des surfaces). Nous décrirons les dispositifs expérimentaux types utilisés pour la production des faisceaux (schéma de principe des sources) et l’environnement de l'échantillon, selon les applications recherchées (microélectroniques, optique, mécanique).
Dans un article à paraître ultérieurement, nous nous intéresserons surtout aux faisceaux d'ions en tant qu'outils de contrôles et modifications des matériaux, suivis ou non d'analyses. Nous présenterons plusieurs installations qui permettent de combiner les deux modes (analyse et modification contrôlée des matériaux), donnant ainsi accès à l’étude in situ de la synthèse de nouveaux matériaux.
Il est clair que la mise en œuvre et l’utilisation des faisceaux d’ions couvre un très vaste domaine de connaissances. Ce document a pour objectif de présenter les bases nécessaires à la compréhension de l’interaction ions/matière, ainsi qu’une vue globale du domaine à travers des exemples et ne prétend pas être exhaustif.
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VERSIONS
- Version courante de déc. 2021 par Erwan OLIVIERO
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Interaction ion/matière3. Conclusion
Nous avons décrit dans cet article les concepts de base qui interviennent lors de l'interaction ion/matière en présentant les principes de fonctionnement des dispositifs expérimentaux associés.
À travers l'étude des phénomènes complexes qu'elle met en jeu, l'implantation ionique a permis de nombreuses avancées dans la synthèse ou la modification de nouveaux matériaux.
La compréhension des processus de pertes d'énergie, au cours de son ralentissement dans la matière, a donné lieu à des applications dans de nombreux domaines :
-
médecine (par exemple renforcement de prothèse par irradiation, traitement très localisé des tumeurs cancéreuses par protonthérapie) ;
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analyse chimique de cibles (composition des sols, pollution de l'air, de l'eau...) ;
-
géologie datation pour la géologie et l'art ;
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simulations expérimentales des phénomènes subis par des échantillons extraterrestres, et du viellissement des matériaux du nucléaire.
La mise en œuvre de ces techniques nécessitent de développer des dispositifs expérimentaux comprenant une source, une partie accélératrice, un système d'analyse en masse.
Dans le cas de la synthèse de nouveaux matériaux, les nombreux paramètres ajustables (énergie, masse de l'ion, température, flux et dose) ouvrent un large éventail de possibilités qui permettent d'optimiser les caractéristiques fonctionnelles du système synthétisé. Nous verrons dans le second article, à paraître ultérieurement, et sans être exhaustifs, quelques applications dans les domaines de la métallurgie et la microélectronique.
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOHR (N.) - On the theory of the decrease of velocity of moving electrified particles on passing through matter - Philosophical Magazine (1913).
-
(2) - BOHR (N.) - On the Decrease of Velocity of Swiftly Moving Electrified Particles in Passing Through Matter - Philosophical Magazine, 30 (1915).
-
(3) - INDUNI (G.) - Sur une source d'électrons pour microscopes électroniques - Helvetica Physica Acta (Suisse), 20 (1947).
-
(4) - CASTAING (R.), LABORIE (P.) - Examen direct des métaux par transmission au microscope électronique - Compte Rendu de l'Académie des Sciences, Paris (1953).
-
(5) - CASTAING (R.), JOUFFREY (B.) - Effets d'un bombardement ionique de courte durée sur des monocristaux métalliques - C. R. Acad. Sci., 252 (1961).
-
(6) - JOUFFREY (B.) - Obtention de boucles de dislocations allongées et bulles...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Analyse par rayons X induits par particules chargées (PIXE)
-
Spectrométrie de collisions élastiques et de réactions nucléaires. Théorie et Applications
-
Les mesures en radiofréquences, caractérisation des réseaux multiaccès
ANNEXES
Encyclopédia Universalis france SA, b, p. 991 et CD-R 5.1. 212 p, édition 2009, Encyclopaedia Universalis (Corpus) en ligne :
http://www.universalis.fr/corpus
LAPREVOTE – Mémento de 5 chapitres en libre lecture, 40 p, chapitre II, 2001
http://www.icsn.cnrs-gif.fr/IMG/pdf
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