Microstructuration de surfaces par irradiation ionique en incidence rasante à haute fluence

L'irradiation ionique permet de déplacer les atomes au sein des matériaux. C'est ainsi une des méthodes qui permet d'adapter leur structure par la présence des défauts créés et d'améliorer leurs propriétés : électronique, optique, chimique, changement de phase…, avec l'objectif de contribuer à la réalisation de diverses applications technologiques : capteurs, dispositifs électroniques, matériaux du nucléaire…

Dans ce cadre, les chercheurs du CIMAP ont réalisé une étude sur la microstructuration de la surface de monocristaux de titanate de strontium par irradiation d'ions lourds rapides (SHI), à haute fluence et sous angles rasants. L'étude révèle la formation d’ondulations régulières dans la direction perpendiculaire au faisceau incident, dont on peut maitriser les caractéristiques (largeur, période…), permettant ainsi la réalisation de matériaux et substrats microstructurés.

L’étude des modifications induites par des ions lourds rapides est une des thématiques majeure du laboratoire CIMAP, avec l’utilisation des faisceaux du GANIL, notamment la ligne IRRSUD gérée par le CIRIL.

Ainsi, à basse fluence, chaque impact est unique et bien séparé des autres, et engendre des modifications à la surface qui dépendent de la nature de l’échantillon et des conditions d’irradiation choisies (masse, énergie de l'ion, angle d'incidence…). Les modifications de surface induites peuvent se révéler en surface soit sous la forme de cratères ou de nano-bosses, de morphologie et hauteur variables, [2] soit encore sous la forme d’une chaine de nano-bosses lorsque l’irradiation s’effectue avec un angle d’incidence très rasant (voir figure 1-a).

Des résultats ont notamment été obtenus sur du SrTiO₃ monocristallin où, à basse fluence et pour un pouvoir d'arrêt supérieur à 12 keV/nm [1], des nanostructures bien caractérisées sont créées en surface [2].

Jusqu’à présent ces modifications et nano-structurations de surface n’ont été étudiées qu’en utilisant de basses fluences, où l’impact unique domine. Mais qu’en est-il des effets d’irradiation en incidence rasante, lorsqu’on utilise des hautes fluences, dans un régime d'impacts multiples avec chevauchement des traces ?

Fig. 1 – Images AFM de la nanostructuration de surface après irradiation d'ions rapides à incidence rasante. (a) à gauche sous faible fluence : les ions arrivent un par un et laissent chacun une trace individuelle sous la forme d'un chapelet de bosses. (b) À droite : sous forte fluence d'ions (92 MeV ¹²⁹Xe²³⁺ ou 75 MeV ¹³⁶Xe¹⁹⁺), avec des effets collectifs amorphisant les couches près de la surface, où se forment des ondulations dans la direction perpendiculaire au faisceau incident.

La figure 1-b montre une image AFM de la surface d'un monocristal de SrTiO₃, obtenue après irradiation à haute fluence sous incidence rasante, avec des d'ions de 92 MeV 1²⁹Xe²³⁺ ou 75 MeV ¹³⁶Xe¹⁹⁺. On note la formation d’ondulations régulières à la surface de l’échantillon, présentant une taille caractéristique et orientées perpendiculairement à la direction du faisceau d’ions [3]. Différents angles d'incidence par rapport à la surface ont été utilisés, depuis les angles les plus rasants θ = 0,5° jusqu'à l'incidence normale (θ = 90°), ce qui a permis de révéler une dépendance de la périodicité ainsi que de la largeur des ondulations, avec l’angle d’incidence. Les caractérisations structurales montrent la formation d’une couche supérieure amorphe dont la surface est le lieu d'une déformation plastique anisotrope, à l’origine de la formation des ondulations.

Ces résultats montrent que, contrairement à la formation à basse fluence de nanostructures isolées dans la direction du faisceau incident, il est possible de créer à haute fluence des microstructures en surface avec un contrôle précis de leurs caractéristiques, en jouant sur les paramètres d’irradiation.

Cette étude se prolonge par de nouvelles expériences nécessaires pour explorer plus largement les différentes phases obtenues et comprendre la transition entre la structuration de la surface le long du faisceau incident à basse fluence, et les ondulations observées à haute fluence dans la direction.

Références :

[1] M. Karlusic, S. Akcöltekin, O. Osmani, I. Monnet, H. Lebius, M. Jaksic, M. Schleberger New J. Phys. 12 (2010) 043009.

[2] E.Akcöltekin, T. Peters, R. Meyer, A. Duvenbeck, M. Klusmann, I. Monnet, H. Lebius, M. Schleberger. Nature Nanotechnology 2 (2007) 290.

[3] SrTiO₃ surface micro-structuring with swift heavy ions in grazing incidence geometry
R. Rahali, H. Lebius, A. Benyagoub, E. Gardes, S. Guillous, I. Monnet, M. Sall, M.P. Chauvat, D. Marie, C. Grygiel. Materialia 27 (2023) 101696.

Voir également les faits marquants antérieurs :

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