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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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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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- Version courante de déc. 2021 par Erwan OLIVIERO
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6. 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.
Enfin, 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.
Remerciements
Nous sommes reconnaissants à Monsieur le Professeur Bernard Jouffrey de ses conseils et son soutien.
Nous voulons aussi associer à nos remerciements l'équipe de notre éditeur.
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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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