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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article intitulé « Faisceaux d’ions. Théorie et mise en œuvre » rédigé par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO et Marie-Odile RUAULT et paru en 2009.
RÉSUMÉ
En produisant et en accélérant des particules chargées, il est possible de créer des faisceaux d’ions. La maîtrise de ces faisceaux d’ions et la compréhension de leur interaction avec la matière ont permis le développement de nombreuses applications, pour la synthèse et la modification contrôlée de matériaux, mais également pour l’analyse structurale et chimique de systèmes complexes. Cet article présente dans un premier temps les phénomènes physiques impliqués dans l’interaction ion-matière, puis explique la mise en œuvre des faisceaux d’ions et donne finalement des exemples de dispositifs expérimentaux.
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By producing and accelerating charged particles, it is possible to create ion beams. The mastering of these ion beams and the understanding of their interaction with matter have enabled the development of numerous applications for the synthesis and controlled modification of new materials, but also for the structural and chemical analysis of complex systems. This article first presents the physical phenomena involved in the ion-matter interaction, then explains the implementation of ion beams and finally gives examples of experimental devices.
Auteur(s)
-
Erwan OLIVIERO : Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France - cet article est la version actualisée de l’article intitulé « Faisceaux d’ions. Théorie et mise en œuvre » rédigé par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO et Marie-Odile RUAULT et paru en 2009.
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 phases : 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 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 (microélectronique, optique, mécanique).
Dans l’article [M 4 386], 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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
Ion beams | Ion implantation
VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 2009 par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO, Marie-Odile RUAULT
DOI (Digital Object Identifier)
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3. 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) ;
-
analyse chimique de cibles (composition des sols, pollution de l'air, de l'eau…) ;
-
géologie (datation pour la géologie et l'art) ;
-
simulations expérimentales des phénomènes subis par des échantillons extraterrestres, et du vieillissement 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, [M 4 396], 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)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Émission X induite par particules chargées (PIXE) : théorie.
-
Émission X induite par particules chargées (PIXE) : applications.
-
Spectrométrie de collisions élastiques et de réactions nucléaires. Théorie.
-
Spectrométrie de collisions élastiques et de réactions nucléaires. Applications.
-
Spectrométrie de masse organique – Principe, méthodes d'introduction et d'ionisation.
-
...
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
Principaux fournisseurs d’implanteurs commerciaux ou services d’implantations
Axcelis Technologies, Beverly, MA, États-Unis :
Applied Materials, Horsham, Royaume-Uni :
https://www.appliedmaterials.com/
Sumitomo Eaton Nova, Tokyo, Japon :
Nissin Electric, Kyoto, Japon :
Ibis Technology, Danvers, MA, États-Unis :
http://host.web-print-design.com/ibis/index.html
Danfysik, Jyllinge, Danemark :
Advanced Ion Beam Technology, San Jose, CA, États-Unis :
Ion Beam Service, Peynier, France :
http://www.ion-beam-services.com
High Voltage Engineering, Amersfoort, Pays-Bas :
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