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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 :
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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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- Version archivée 1 de sept. 2010 par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO, Marie-Odile RUAULT
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6. Analyses par faisceaux d’ions
Les faisceaux d’ions sont couramment utilisés comme outil d’analyse et de caractérisation des matériaux. L’analyse par faisceau d’ions (Ion Beam Analysis, IBA en anglais) englobe toutes les techniques associées à chaque produit/effet de l’interaction ion/matière (voir figure 22).
Les principales techniques sont les suivantes :
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La technique RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) est basée sur la rétrodiffusion élastique à grand angle (> 90°) d’un faisceau d’ions à haute énergie. Cette méthode permet de déterminer la structure et la composition de matériaux, de mesurer et contrôler l’épaisseur et la composition de matériaux multicouches. En mode canalisation (channeling RBS ou C-RBS), lorsque le faisceau incident est aligné avec l'axe majeur de symétrie d’une structure cristalline, il est possible d’obtenir des informations sur la structure (cristallinité, zone de défauts, zone amorphe, présence d’impuretés).
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La technique PIXE (Particle Induced X-ray Emission) est basée sur la détection des rayons X émis par des atomes ionisés ou excités suite à une irradiation par un faisceau d’ions. L’énergie de ces rayons X est caractéristique des éléments présents dans l’échantillon. Cette technique permet d’analyser avec une précision extrême la composition chimique des matériaux avec une très bonne sensibilité, permettant la caractérisation d’éléments traces.
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La technique PIGE est basée sur la détection des rayons gamma émis suite à l’interaction de la particule incidente chargée avec des noyaux atomiques de la cible. Cette technique permet d’analyser la composition chimique des matériaux et en particulier de détecter les éléments légers. Elle est complémentaire des techniques PIXE et RBS et est généralement réalisée conjointement aux deux autres.
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La technique NRA (Nuclear Reaction Analysis) est basée sur la détection de particules chargées émises (proton ou particule alpha) au cours de la réaction nucléaire entre les ions incidents et les noyaux des atomes de la cible. Cette méthode est utilisée pour doser les éléments légers dans...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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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).
-
(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.
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...
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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