Faisceaux d’ions - Théorie et mise en œuvre

Les faisceaux d'ions peuvent etre vus comme un outil polyvalent permettant d'aborder, aussi bien la synthese de nouveaux materiaux, que l'analyse structurale et chimique de systemes complexes. Leur emploi apporte un parametre supplementaire a l'experimentateur, pour parcourir les diagrammes de phase: le systeme restant fige (a la maniere d'une trempe) des que l'on coupe le faisceau. Apres une presentation des phenomenes physiques impliques (pouvoir d'arret, creation de defauts), nous aborderons ici la mise en œuvre des faisceaux d'ions (production, tri en masses, dispositifs experimentaux). Nous distinguerons par la suite deux modes d'utilisation des faisceaux d'ions, l'analyse et la synthese. Lorsque le faisceau d'ions est destine a l'analyse, deux types d'experiences se presentent. Dans le premier cas, l'echantillon a etudier est la source de production des ions et l'analyse consiste a trier en masse les ions extraits, elle est alors destructive. Dans le second, l'analyse resulte de l'interaction d'un faisceau d'ions legers avec l'echantillon qui est alors la cible. Suivant la nature de l'analyse, differents types de detecteurs permettent de quantifier l'energie des particules diffusees par l'echantillon (fluorescence, retrodiffusion... ). Lorsque l'on utilise les faisceaux d'ions en tant qu'outils de modifications controlees des echantillons, plusieurs parametres (energie, flux, dose, nature du faisceau, temperature de la cible) sont ajustables suivant l'objectif recherche (creation de defauts, mise en ordre, synthese de nouvelles phases ou encore la modification des surfaces). Nous decrirons les dispositifs experimentaux types utilises pour la production des faisceaux (schema de principe des sources) et l'environnement de l'echantillon, selon les applications recherchees (microelectroniques, optique, mecanique). Dans un article a paraitre ulterieurement, nous nous interesserons surtout aux faisceaux d'ions en tant qu'outils de controles et modifications des materiaux, suivis ou non d'analyses. Nous presenterons plusieurs installations qui permettent de combiner les deux modes (analyse et modification controlee des materiaux), donnant ainsi acces a l'etude in situ de la synthese de nouveaux materiaux. Il est clair que la mise en œuvre et l'utilisation des faisceaux d'ions couvre un tres vaste domaine de connaissances. Ce document a pour objectif de presenter les bases necessaires a la comprehension de l'interaction ions/matiere, ainsi qu'une vue globale du domaine a travers des exemples et ne pretend pas etre exhaustif.