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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article intitulé « Faisceaux d’ions. Applications » rédigé par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO et Marie-Odile RUAULT et paru en 2010.
Cet article est la version actualisée de l’article intitulé « Faisceaux d’ions. Applications » rédigé par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO et Marie-Odile RUAULT et paru en 2010.
RÉSUMÉ
Les faisceaux d’ions permettent de nombreuses applications dans divers domaines. Par exemple, l’implantation ionique, procédé d’ingénierie des matériaux, permet de modifier non seulement les propriétés chimiques de la cible, mais également ses propriétés 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 compatibles chimiquement. Cet article aborde plusieurs domaines d’applications des faisceaux d’ions, certains comme outils de synthèse et de modifications des matériaux, d’autres comme outils d’analyse tous basés sur la compréhension de l’interaction ions/matière.
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Erwan OLIVIERO : Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
En produisant et en accélérant des particules chargées, il est possible de créer des faisceaux d’ions. Pour pouvoir maîtriser ces faisceaux d’ions, il a été nécessaire de comprendre leur interaction avec la matière ainsi que les phénomènes physiques associés, comme la perte d’énergie, le pouvoir d'arrêt, la création de défauts, etc. Le formalisme mathématique et la mise en œuvre des faisceaux d'ions (production, tri en masse, dispositifs expérimentaux) ont été décrits dans l'article [M 4 395].
Les faisceaux d'ions peuvent être assimilés à 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.
Nous aborderons dans cet article, de manière non exhaustive, plusieurs domaines d'applications des faisceaux d'ions :
-
en tant qu'outils de synthèse et de modifications des matériaux, comme le mélange ionique de couches minces, le durcissement de surface en métallurgie, l’implantation ionique en microélectronique, la nanostructuration et la lithographie assistée par faisceau d’ions (Focused Ion Beam) ;
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en tant qu’outils d’analyse et de contrôles et également de simulation des irradiations aux neutrons. Nous décrirons les différentes techniques d’analyses par faisceau d’ions qui permettent de nombreuses applications : caractérisation des matériaux multicouches et multiéléments, obtention des profils en profondeur d’éléments légers, détermination de l’origine de polluants et de contaminants, réalisation des analyses non destructives d’objets du patrimoine culturel.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2010 par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO, Marie-Odile RUAULT
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Glossaire
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7. Conclusion
Depuis une cinquantaine d’années, les études menées par la communauté scientifique, dans le domaine de l’interaction ion/matière, ont conduit à de nouveaux développements instrumentaux et à de nombreux transferts technologiques vers l’industrie. Le dopage par implantation ionique, procédé de fabrication incontournable de l’industrie des semi-conducteurs, en est un bel exemple.
À travers plusieurs domaines d’applications (métallurgie, microélectronique, stockage des déchets nucléaires…), cet article donne une vue, non exhaustive, de l’utilisation des faisceaux d’ions. Ils offrent un potentiel considérable, que ce soit pour simuler le vieillissement des matériaux, appliquer des contraintes localisées, modifier les propriétés structurales, optiques, magnétiques, mécaniques, ou encore de transport des matériaux.
Plus qu’une technique, les faisceaux d’ions offrent, via leurs paramètres expérimentaux, des degrés de liberté supplémentaires pour agir sur la matière. La compréhension de l’interaction ions/matière est donc essentielle si l’on veut appréhender, et prédire, l’évolution de la cible.
On notera que, lorsque l’on coupe le faisceau, le système, privé d’énergie, cesse pratiquement d’évoluer. La situation est alors analogue à une trempe, ce qui permet d’explorer le diagramme de phase de la cible suivant la stœchiométrie des espèces en présence, et d’obtenir de manière contrôlée des phases métastables cinétiquement bloquées.
La tendance générale à la miniaturisation des dispositifs nécessite de développer des sondes d’analyse, de plus en plus locales, et des moyens de synthèse à l’échelle nanométrique. Le développement de sources d’ions très intenses, et des systèmes de faisceaux d’ions fortement focalisés, permet de répondre à ces besoins en offrant des outils uniques pour la structuration de surface et la caractérisation à l’échelle nanométrique.
Enfin, la maîtrise des faisceaux d’ions et la compréhension de l’interaction ion/matière ont permis de développer de nombreuses méthodes de caractérisation qui sont de nos jours couramment utilisées dans de nombreux domaines.
Nous sommes reconnaissants à Monsieur le Professeur Bernard Jouffrey de ses conseils et son...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(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, Institut Of Physics (IOP) Publishing Ltd, 3, p. 8767-8776 (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, p. 471-475 (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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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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 (liste non exhaustive)
Principaux fournisseurs d’implanteurs commerciaux ou services d’implanta- tions
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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