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NanoSciences de Paris
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Couches nanométriques : formation, interfaces, défauts, équipement

Système d’Analyse par Faisceaux d’Ions Rapides (SAFIR)

Contacts : Emrick Briand, Ian Vickridge

 

 

Avec SAFIR (Système d’Analyse par Faisceaux d’Ions Rapides) nous utilisons les interactions entre des faisceaux de particules rapides issues de l’accélérateur Van de Graaff et les atomes d’un échantillon pour sonder les profils de structure et de composition (y compris isotopique) de la région superficielle des solides. Il trouve son application dans l’analyse de couches minces (< 1μm) ou ultra-minces (<10nm). Les techniques d’analyse RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis), NRA (Nuclear Reaction Analysis), et NRP (Nuclear Resonance Profiling) sont disponibles dans les 5 chambres au bout des lignes de faisceau, et un nouveau dispositif d’analyse à très haute résolution en profondeur (< nm) MEIS (Medium Energy Ion Scattering) est en cours de montage. Dans tous ces cas la canalisation d’ions peut renseigner sur l’ordre atomique – défauts étendus et ponctuels, relations d’épitaxie, champs de contraintes dans des systèmes monocristallins …

 

Accélérateur d’ions positifs Van de Graaff

L’accélérateur est un Van de Graaff électrostatique de type AN-2000 fournit par la société High Voltage Engineering Europa. Ce dispositif est capable de fournir des faisceaux parallèles (divergence : 0,5 mrad) d’ions monochargés monocinétiques (H+, D+, He+, C+, N+, O+), dans une gamme d’énergie qui varie de 100 KeV à 2,5 MeV, avec une résolution de l’ordre de 100 eV à 1 MeV. La section typique des faisceaux est de 1mm2, avec des courants de 1 nA à quelques µA. La salle d’expérience est blindée radiologiquement ce qui permet d’ exploiter des faisceaux de Deutons.

Accélérateur Van de Graaff ouvert © INSP

Salle d’expériences © INSP

 

Le principe est de communiquer de l’énergie cinétique à des particules chargées, lesquelles étant produites au sein d’une source d’ions de type RF.

. Les différents gaz ionisables (H,He,…) sont stockés dans la partie supérieure de l’accélérateur et introduits sélectivement par le bais de vannes thermomécaniques pilotables à partir des baies de commande. Ils sont ionisés par un champ radiofréquence de l’ordre de 100 Mhz puis focalises magnétiquement dans l’axe du canal d’extraction en communication avec la colonne. La présence d’aimants accroît le libre parcourt moyen des électrons libres ce qui permet d’augmenter le nombre d’ionisations. L’électrode d’extraction portée à un potentiel de quelques milliers de volts permet quand à elle de repousser et d’expulser les ions vers la colonne accélératrice.

Au sommet de cette colonne, le terminal est porté à une haute tension de signe positive.

En effet, à la base de la colonne un générateur auxiliaire dépose des charges par l’intermédiaire d’un peigne métallique, pour être transportées sur une courroie isolante défilant à une vitesse de 30 mètres par seconde ce qui permet de charger progressivement le terminal. Cette haute tension est alors ramenée à la terre par une série de résistances qui créent un gradient de potentiel uniforme. La stabilité de la tension est assurée par des pointes, qui par effet corona, déchargent plus ou moins le terminal.

 En raison des tensions très élevées mises en jeux, l’ensemble est disposé dans une enceinte remplie de gaz inerte sous pression afin d’éviter les claquages électriques. De plus, le tube dans lequel se propage le faisceau d’ions est maintenu sous un vide de l’ordre de 10-7 mbar afin de minimiser le nombre de collisions avec les atomes de gaz résiduels.

Le faisceau est ensuite défléchi par un électroaimant

pour être dirigé suivant 6 extensions disponibles. A la sortie de l’aimant de déviation, des lèvres asservies aux pointes corona sont disposées sur la trajectoire du faisceau, afin d’agir sur la géométrie et la stabilité en énergie de celui. Le faisceau est alors acheminé via des plaques déflectrices jusqu’aux 5 chambres d’analyses équipées de détecteurs.

 

chambre 1

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© INSP Emrick Briand
Chambre en vide poussé (10-9 mbar) équipée d’un goniomètre pour la RBS, NRA en et hors canalisation, et traitement thermique in-situ

chambre 2

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© INSP Emrick Briand
Chambre polyvalente en vide secondaire (10-7mbar) pour la RBS, NRA et NRP en routine, équipée d’un porte échantillon pour 60 échantillons.

chambre 3

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© INSP Emrick Briand
Chambre ultra-vide (10-12 mbar) équipée de détecteurs semi-conducteurs classiques et d’un détecteur électrostatique qui permet d’atteindre une résolution en profondeur subnanométrique. Elle possède également un goniomètre compatible Omicron, de haute précision avec possibilité de chauffage et refroidissement, et couplé avec d’une part un sas d’entrée permettant le transfert rapide des échantillons et d’autre part une chambre de préparation des surfaces avec les dispositifs suivant : évaporateurs, LEED/AUGER, canon à ions,….

chambre 4

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© INSP Emrick Briand
Chambre ultra-vide (10-12 mbar) équipée de LEED/AES, goniomètre à température variable (130 à 1000K) pour canalisation d’ions, évaporateurs, canon à ions, RBS, NRA.

chambre 5

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© INSP Emrick Briand
Chambre goniométrique en vide secondaire (10-7mbar) dédiée aux études de canalisation d’ions, équipée pour la RBS, NRA, et NRP.