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EnglishNOTE 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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Erwan OLIVIERO : Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France - 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.
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.
MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 2009 par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO, Marie-Odile RUAULT
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4. Glossaire
Matériau amorphe
Solide ne présentant aucune structure atomique ordonnée à moyenne et à longue distance, les atomes y sont aléatoirement distribués comme dans un liquide.
Polycristal
Un polycristal ou matériau polycristallin est un matériau solide constitué d'une multitude de petits cristaux appelés « cristallites » de taille, de forme et d'orientation variées, séparés par des joints de grains. À l'opposé, un monocristal ou matériau monocristallin est constitué d'un unique cristal.
Monocristal
Un monocristal ou matériau monocristallin est constitué d'un unique cristal homogène dont les plans réticulaires ont une orientation uniforme dans tout le volume.
Lacune
Défaut ponctuel correspondant à l’absence d'un atome ou d'un ion en un site normalement occupé d'une structure cristalline.
Interstitiel
Défaut ponctuel correspondant à la présence d'un atome ou d’un ion qui se trouve dans une structure cristalline en dehors d'un site normalement occupé.
Paire de Frenkel
Une paire de Frenkel est composée des deux défauts ponctuels, une lacune et un interstitiel.
Défaut de Schottky
Un défaut de Schottky est composé de deux défauts ponctuels, une lacune anionique et une lacune cationique.
Dumbbell
Un défaut dumbbell est composé de deux défauts ponctuels, deux interstitiels. Ces interstitiels sont appelés « dumbbell » (haltère) car leur représentation graphique par deux sphères reliées par une barre fait que la structure ressemble à un appareil d'haltérophilie.
Collision élastique
Une collision est dite « élastique » lorsque le choc des deux corps se produit sans déformation des corps, sans modification de leurs masses et sans modification de leur énergie interne. L’énergie cinétique est conservée.
Collision inélastique
Une collision est dite « inélastique » lorsque l'énergie cinétique des corps qui entrent en collision est totalement ou en partie convertie en énergie interne dans au moins un des corps. Ainsi, l'énergie cinétique n'est pas conservée.
Cascade de déplacement
Déplacements en chaîne d’atomes provoqués dans un matériau par le choc balistique entre une particule incidente et un atome du matériau (PKA).
...
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Glossaire
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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