Elaboration by ion implantation of cobalt nanoparticlesin silica layers and modifications of their properties by irradiations with electrons and swift heavy ions.
Elaboration par implantation ionique de nanoparticules de cobalt dans la silice et modifications de leurs propriétés sous irradiation d'électrons et d'ions de haute énergie
Résumé
This work aims to investigate the capability of ion irradiations to elaborate magnetic nanoparticles in silica layers, and to modify their properties. Co+ ions have been implanted at 160 keV at fluences of 2.1016, 5.1016 and 1017 at.cm-2, and at temperatures of 77, 295 and 873 K. The dependence of the particle size on the implantation fluence, and more significantly on the implantation temperature has been shown. TEM observations have shown a mean diameter varying from 1 nm for implantations at 2.1016 Co+.cm-2 at 77 K, to 9.7 nm at 1017 Co+.cm-2 at 873 K. For high temperature implantations, two regions of particles appear. Simulations based on a kinetic 3D lattice Monte Carlo method reproduce quantitatively the features observed for implantations. Thermal treatments induce the ripening of the particles. Electron irradiations at 873 K induce an important increase in mean particle sizes. Swift heavy ion irradiations also induce the ripening of the particles for low fluences, and an elongation of the particles in the incident beam direction for high fluences, resulting in a magnetic anisotropy. Mechanisms invoked in thermal spike model could also explain this anisotropic growth.
L'objectif de ce travail est d'explorer les possibilités offertes par les faisceaux énergétiques pour élaborer des nanoparticules magnétiques dans la silice et d'en modifier les propriétés. Des ions Co+ ont été implantés à 160 keV à 2.1016, 5.1016 et 1017 at.cm-2, à des températures de 77, 295 et 873 K. Nous avons montré la dépendance de la taille des particules avec la fluence, et de façon plus prononcée, avec la température d'implantation. Les observations en microscopie électronique à transmission (MET) révèle la présence de particules d'un diamètre de l'ordre de 1 nm pour les implantations à 2.1016 Co+.cm-2 à 77 K, et qui augmente jusqu'à 9,7 nm pour les implantations à 1017 Co+.cm-2 à 873 K. Pour ces implantations à haute température, nous observons également l'apparition de deux régions distinctes de particules. Des simulations basées sur un modèle Monte Carlo cinétique permettent de reproduire quantitativement les caractéristiques observées pour les diverses implantations. Les traitements thermiques induisent un faible mûrissement des particules. L'irradiation aux électrons à 873 K provoque un important mûrissement des particules. L'irradiation aux ions lourds à haute énergie provoque le mûrissement des particules pour des faibles fluences, et une déformation suivant la direction du faisceau incident pour les fortes fluences induisant une anisotropie magnétique. Ces modifications ont été expliquées à partir des processus similaires à ceux impliqués dans le modèle de la pointe thermique.