Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Procédé d’ingénierie des matériaux, l’implantation ionique permet de modifier non seulement les propriétés chimiques de la cible, mais également les structurelles. Il s’agit fondamentalement d’un processus hors équilibre thermodynamique, puisqu’en théorie il est possible d’introduire tout élément dans tout matériau, même non compatible chimiquement. Cet article aborde plusieurs domaines d’applications des faisceaux d’ions, certains comme outils de contrôles et de modifications des matériaux, avec ou sans analyse, et d’autres comme outils d’analyse permettant la compréhension de l’interaction ions/matière.
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Ion implantation, a materials engineering process can not only change the chemical properties of the target, but also its structural ones. It is essentially a non-thermodynamic equilibrium process, as it is theoretically possible to introduce any element in any material, be they chemically compatible or not. This article presents several application domains of ion beams; some are tools of control and changes in materials, with or without analysis, and others are analytical tools allowing for the understanding of ion/matter interaction.
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 avoir décrit les mécanismes physiques impliqués (pouvoir d'arrêt, création de défauts), le formalisme mathématique et la mise en œuvre des faisceaux d'ions (production, tri en masses, dispositifs expérimentaux) dans l'article précédent [M 4 395], nous aborderons ici plusieurs domaines d'applications des faisceaux d'ions :
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vus en tant qu'outils de contrôles et de 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 ;
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présenter les bases nécessaires à la compréhension de l'interaction ions/matière (déjà vue dans le [M 4 395]), ainsi qu'une vue globale du domaine à travers des exemples (sans prétention à l'exhaustivité).
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VERSIONS
- Version courante de déc. 2021 par Erwan OLIVIERO
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Modification et synthèse des matériaux par mélange ionique (ou mixing)1. Contexte
L'implantation ionique est le processus physique à travers lequel on introduit une concentration prédéterminée d'atomes dans des matériaux solides (métalliques, semi-conducteurs, isolants) changeant ainsi les propriétés physiques de ce solide.
L'implantation ionique est un procédé d'ingénierie des matériaux. Les ions implantés permettent de changer les propriétés chimiques de la cible, ainsi que les propriétés structurelles. En effet, la structure cristalline de la cible peut être partiellement désordonnée, voire même détruite, lors du processus.
Théoriquement, il est possible d'introduire tout élément dans tout matériau, même non compatible chimiquement, et les solubilités limites, déterminées dans les conditions habituelles de l'équilibre thermodynamique, peuvent être dépassées. Il s'agit donc, fondamentalement, d'un processus « hors équilibre thermodynamique ».
L'implantation est une méthode puissante pour synthétiser des systèmes, en phase solide, fortement métastables : précipités fins, phases micro-cristallisées, voire amorphes. Ainsi un champ d'exploration très riche s'ouvre au chercheur sur l'étude des mécanismes physiques fondamentaux mis en œuvre lors de la synthèse en situation hors équilibre (voir Encadré 1) ainsi que sur les modifications qui en résultent sur le plan des propriétés électriques, optiques, chimiques, mécaniques et magnétiques des matériaux.
L'implantation ionique est un processus hors équilibre thermodynamique, et peut-être vue comme une technique permettant de contrôler finement le diagramme de phase d'un matériau. La plupart des éléments peuvent être implantés, quelle que soit la nature de la cible solide, et ce, indépendamment des considérations thermo-dynamiques.
La méthode permet d'obtenir une gamme très étendue de concentrations relatives et se réaliser dans une vaste plage de températures.
À basse température, outre les combinaisons matrice/impureté thermodynamiquement stables, l'implantation ionique permet de former des phases métastables. Un traitement thermique post-implantation est un moyen d'en optimiser, voire d'en sélectionner, les propriétés fonctionnelles.
De même, pour l'ingénieur, l'implantation...
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Contexte
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KOSTLER (H.), TRAVERSE (A.), NEDELLEC (P.), DUMOULIN (L.), RUAULT (M.-O.), SCHAPBACH (L.), BURGER (J.P.), BERNAS (H.) - A new hydride : MgHx prepared by ion implantation - Journal of Physics : Condens. Matter, Insitut Of Physics (IOP) Publishing Ltd, 3 , pp. 8767-8776 (June 1991).
-
(2) - RAUSCHENBACH (B.), KOLITSCH (A.), HOHMUTH (K.) - Iron nitride phases formed by nitrogen ion implantation and thermal treatment - Physica Status Solidi A, n° 2, Wiley Interscience, 80, pp. 471-475 (decembre 1983).
-
(3) - HANSEN (M.), ANDERKO (A.K.) - Constitution of Binary Alloys - (constitution des alliages binaires), Metallurgy and metallurgical engineering series, Genium Publishing Corporation Amsterdam & new York., 2e édition, 1305 p, © 1958 (1985).
-
(4) - HANSEN (M.), ELLIOT (R.P.) - Constitution of Binary Alloys : first supplement - (constitution des alliages binaires, suppléments à [81]), Schenectady, N.Y. : Genium, 874 p (1986).
-
(5) - SAWADA (K.), PAI (C.S.), LAU (S.S.), POKER (D.B.), BUCHAL (CH.) - Ion mixing of Ni-Pt films on Si - Journal...
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