Faisceaux d’ions - Théorie et mise en œuvre

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.