... Phases Magazine N° 17
Croissance d'un film de cuivre sur
l'alumine :
De la maîtrise de la ‘‘surface propre’’ au mécanisme de la croissance
MAI 1998 N° 18
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Une équipe du Centre Interdisciplinaire de Recherches avec les Ions Lourds (CIRIL) étudie les phénomènes de base de l’irradiation par des ions lourds très chargés.
Les modifications des matériaux par irradiation sont le résultat d’une succession d’événements qui vont de la collision initiale à la relaxation structurale en passant par une phase de dissipation de l’énergie. Notre objectif est d’appréhender par une approche pluridisciplinaire l’ensemble de ces processus dans le cas d’une irradiation aux ions (Fig. 1). Dans ce but, une équipe du CIRIL et de l’Université de Caen s’intéresse à l’étape collisionnelle. La difficulté de cette étude vient de ce que plusieurs particules sont en interaction. En effet, même dans le cas le plus simple de l’ionisation d’un atome d’hydrogène (un proton et un électron) par un proton, trois particules sont impliquées dans la collision. Il faut donc mesurer les caractéristiques cinématiques d’au moins deux d’entre elles pour décrire complètement la collision. Une approche expérimentale est d’autant plus nécessaire que le traitement théorique complet de ce problème reste encore à faire. Les techniques de spectroscopie d’électrons et de photons utilisées jusqu'à présent ont une grande résolution mais une probabilité de détection très faible (de 10-7 à 10-4). Les mesures en coïncidence, indispensables pour déterminer le comportement dynamique du système, sont donc très difficiles. Aussi avons-nous développé une spectroscopie de vitesse des ions de recul formés lors de la collision qui présente une très grande efficacité de détection (0,5). Cette technique expérimentale qui permet d’explorer la dynamique des collisions des ions multichargés avec des atomes que ceux-ci soient isolés, situés dans une molécule ou à la surface d’un solide, est décrite dans l’encadré.
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Dans le cas des collisions ion - atome, les énergies cinétiques communiquées aux ions de recul sont très faibles ; aussi pour atteindre une bonne résolution, les atomes cibles doivent-ils avoir avant la collision une dispersion de vitesse la plus faible possible. Pour cela, ils sont refroidis par détente adiabatique dans un jet supersonique. Ainsi, l’utilisation simultanée d’une cible froide et d’un détecteur mesurant le temps de vol et la localisation du point d’impact de l’ion de recul a fourni, dès les premières expériences, des résultats tout à fait nouveaux pour des processus aussi différents que l’ionisation, la capture électronique et la dissociation moléculaire (Fig. 2). Ce dispositif a, par exemple, permis l’étude du rôle de la corrélation entre électrons dans les collisions ion - atome.
A haute énergie, l’ionisation est le processus principal ; l’ionisation multiple peut même concerner pour des ions très chargés jusqu’à la moitié des événements. En une seule collision, un ion 131Xe44+ de 6,7 MeV par nucléon peut arracher plus de dix électrons à un atome d’argon. Grâce à cette expérience, nous avons montré que l’émission simultanée d’un grand nombre d’électrons peut être simplement expliquée par une succession d’ionisations simples et indépendantes au cours d’une même interaction ion - atome (Fig. 3). Ceci est vrai dans le cas des électrons de valence de l’argon mais ne l’est plus pour les électrons de l’hélium que l’on sait fortement corrélés.
Principe du spectromètre d’ion de recul
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A basse énergie, la capture électronique devient le processus dominant. L’efficacité et la résolution de cette technique ont permis, pour des projectiles aussi difficiles à produire à basse énergie que l’ion 40Ar18+, de déterminer sur quels niveaux d’énergie du projectile, l’électron de la cible peut être capturé.
Enfin, la polyvalence de cette technique permet de l’appliquer à l’étude de la dissociation de molécules sous l’impact d’ions multichargés. Dans le cas de la molécule d’eau, nous avons montré l’importance de l’ionisation multiple qui doit être prise en compte dans l’interprétation des expériences de radiolyse par les ions lourds.
Les potentialités de cette technique sont nombreuses. L’application de cette spectroscopie à l’étude de l’interaction ion - surface permettra d’aller plus loin dans la compréhension des modifications des solides par irradiation.
Pour en savoir plus :
P. Jardin " Etude des mécanismes élémentaires de
transfert d’énergie au cours d’une collision entre un ion lourd
multichargé et un atome neutre " Rapport CEA-R-5700 (1995).
A. Cassimi, S. Duponchel, X. Fléchard, P. Jardin, P. Sortais, D. Hennecart and
R.E. Olson " State-selective electron capture in low velocity multiply
charged ion - helium collisions " Physical Review Letters 76 (1996) 3679.
Contacts :
A. CASSIMI, L. ADOUI (CIRIL).
Phases Magazine N° 18
Les vésicules aux cheveux de polymères...
La
collision se situe dans une région où règne un champ électrique
uniforme (E) de l’ordre de 5 V/cm. L’ion projectile arrache
quelques électrons à un atome cible du jet supersonique. Cet atome
devient dès lors un ion de recul. L’analyse cinématique se ramène
au problème élémentaire du mouvement d’une particule chargée dans
un champ électrique. Le temps mis par celle-ci pour arriver sur le
détecteur ainsi que la position du point d’impact permettent de
remonter à la vitesse initiale de l’ion de recul acquise au cours de
la collision. Les faibles énergies (meV) communiquées aux ions de
recul font la difficulté de cette technique.