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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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Ion beams have many applications in various fields. For example, ion implantation, a materials engineering process, can not only modify the chemical properties of the target, but also its structural properties. This is fundamentally a non-thermodynamic equilibrium process, since in theory it is possible to introduce any element into any material, even chemically incompatible. This article discusses several areas of application of ion beams, some as tools for synthesis and modification of materials, others as tools of analysis, all based on an understanding of the ion / matter interaction.
Auteur(s)
-
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) ;
-
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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
Ion beams | Ion implantation
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2010 par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO, Marie-Odile RUAULT
DOI (Digital Object Identifier)
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Modification et synthèse des matériaux par mélange ionique (ou mixing)
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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 compatibles 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 microcristallisées, 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 thermodynamiques.
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 et même amorphes. Un traitement thermique post-implantation est un moyen d'en optimiser, voire d'en sélectionner, les propriétés fonctionnelles.
De même, pour l'ingénieur,...
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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.
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Émission X induite par particules chargées (PIXE) : applications.
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Spectrométrie de collisions élastiques et de réactions nucléaires. Théorie.
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Spectrométrie de collisions élastiques et de réactions nucléaires. Applications.
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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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