On the origin of Auger électrons during ion bombardment of solid targets
Origine de l'émission des électrons Auger lors du bombardement ionique des solides
Résumé
The first observations of the Auger electron emission during ion bombardment of a solid target were published in 1965 (Snoek et al. 11) in the case of electron characteristics of projectiles particles and in 1967 (Hennequin et al. 12) in the case of electron characteristics of the target atoms. There are currently sixty publications on the subject, but foreign publications onlysince 1974, some authors have even incidenment rediscovered the phenomenon. The Auger emission in collisions in the gas phase was also the subject of numerous studies during the same period. The precise knowledge of the mechanical conditions of the collision and the existence of well-defined electronic states, both before and after excitation by Auger effect, greatly facilitate the interpretation of experiments. The theory of Fano and Lichten 1960 is now well established: some molecular orbitals formed during the collision. Two particles are promoted to levels less related and after interaction with incomplete orbital, can lead to the formation of a hole in the internal electronics either partner. More generally, what are the recent developments in the physics of collisions now possible to understand the whole mechanism of the Auger emission from solids. There is a natural relationship between the Auger electron-emission and the emission of secondary ions in the ion bombardment of a solid. This link is direct in the case of fast multiply charged ions or which are formed by Auger deexcitation, outside of the target atoms ejected from retaining an internal electronic hole: the model kinetic emission Joyes 1975. This is also the result of a suggestion Castaing, and to interpret the emission of secondary ions, the study of this relationship has been undertaken both experimentally and theoretically. The Auger emission also allows to achieve a better understanding of the most violent collisions inside the solid, and it is in this spirit that this work was done. Specifically, we sought to better determine the extent to which theoretical conclusions of the physics of collisions can be used to account for the experimental results relating to the Auger emission of solids and predict the influence of the nature of the target and the projectile on the characteristics of this emission. First a necessary theoretical background to allow interpretation of experimental results : we follow the steps leading to the emission of an Auger electron as a result of the impact of the primary ion on the atoms of the target: the creation a cascade of collisions in the solid, the excitation of an internal electronic level during a collision, Auger effect by the excitation during the migration of the excited particles and finally the output of an electron outside the target. Then the description of the properties of experimental devices we have developped for this study. Then, in the next two chapters, we will study the collisions responsible for the emission Auger electrons is characteristic of the projectile or target. In the first case (Section III), we will focus mainly on the emission of Auger electrons of argon during the bombardment of various targets by Ar ion, energy between 2 and 16 keV, and can thus show good agreement between experiments on solids and theoretical interpretations based on atomic collisions and the promotion of molecular orbitals. Once established this agreement, it will be possible (Chapter IV) to extend this interpretation to the Auger electron emission characteristics of the target, where the situation is complicated by the fact that the collision energy is poorly determined and doubt that may remain on the nature of the collision responsible for the excitement: symmetrical collision between two identical atoms of the target or asymmetric collision between the incident ion and one of the atoms of the target. In the case of light metals, magnesium and aluminum, we show that the proportion of asymmetric collisions is an increasing function of the energy of the incident ions, but remains low in our energy field (2 - 16 keV). The results presented here have mostly been published previously.
Les premières observations de l'émission d'électrons Auger au cours du bombardement ionique d'une cible solide remontent à 1965 (Snoek et al. 11) dans le cas d'électrons caractéristiques des particules projectiles, et à 1967 (Hennequin et al. 12) dans le cas d'électrons caractéristiques des atomes cibles. Il existe actuellement une soixantaine de publications sur le sujet, mais les publications étrangères n'apparaissent qu'à partir de 1974, certains auteurs semblant même avoir incidenment redécouvert le phénomène. L'émission Auger lors de collisions en phase gazeuse a fait aussi l'objet de nombreuses études durant la même période. La connaissance précise des conditions mécaniques de la collision et l'existence d'états électroniques bien définis, tant avant qu'après la désexcitation par effet Auger, facilitent considérablement l'interprétation des expériences. La théorie de Fano et Lichten 1960 est maintenant bien établie : certaines des orbitales moléculaires formées lors de la collision de deux particules sont promues vers des niveaux moins liés et, après interaction avec une orbitale incomplète, peuvent conduire à la formation d'un trou électronique interne dans l'un ou l'autre des partenaires. Plus généralement, ce sont les progrès récents de la physique des collisions qui permettent maintenant de comprendre l'ensemble du mécanisme de l'émission Auger à partir des solides. Il existe naturellement un lien entre -l'émission d'électrons Auger et l'émission d'ions secondaires durant le bombardement ionique d'un solide. Ce lien est même direct dans le cas des ions rapides ou multichargés qui sont formés par désexcitation Auger, à l'extérieur de la cible, d'atomes éjectés ayant conservé un trou électronique interne : c'est le modèle de l'émission cinétique de Joyes 1975. C'est d'ailleurs à la suite d'une suggestion de Castaing, et pour interpréter l'émission d'ions secondaires, que l'étude de ce lien a été entreprise tant sur le plan expérimental que théorique. L'émission Auger permet en outre d'atteindre une meilleure connaissance des collisions les plus violentes à l'intérieur d'un solide, et c'est dans cet esprit que le présent travail a été réalisé. Plus précisément, nous avons cherché à mieux déterminer dans quelle mesure les conclusions théoriques de la physique des collisions peuvent être utilisées pour rendre compte des résultats expérimentaux relatifs à l'émission Auger des solides et prévoir l'influence de la nature de la cible et du projectile sur les caractéristiques de cette émission. D'abord un rappel théorique nécessaire à l'interprétation des résultats expérimentaux, nous suivrons les étapes conduisant à l'émission d'un électron Auger à la suite de l'impact de l'ion primaire sur les atomes de la cible : la création d'une cascade de collisions dans le solide, l'excitation d'un niveau électronique interne au cours d'une collision violente, la désexcitation par effet Auger au cours de la migration de la particule excitée et enfin la sortie de l'électron à l'extérieur de la cible. Puis la description des propriétés des dispositifs expérimentaux que nous avons réalisés pour cette étude. Ensuite, dans les deux chapitres suivants, nous étudierons les collisions responsables de l'émission des électrons Auger caractéristiques soit du projectile, soit de la cible. Dans le premier cas (chapitre III), nous nous intéresserons essentiellement à l'émission des électrons Auger de l'argon lors du bombardement de diverses cibles par des ions Ar d'énergie comprise entre 2 et 16 keV et pourrons montrer ainsi le bon accord entre les expériences sur les solides et les interprétations théoriques fondées sur les collisions atomiques et la promotion des orbitales moléculaires. Une fois établi cet accord, il nous sera possible (chapitre IV) d'étendre cette interprétation à l'émission des électrons Auger caractéristiques de la cible, pour lesquels la situation est compliquée par le fait que l'énergie de collision est mal connue et qu'un doute peut subsister sur la nature de la collision responsable de l'excitation : collision symétrique entre deux atomes identiques de la cible ou collision asymétrique entre l'ion incident et l'un des atomes de la cible. Dans le cas des métaux légers, magnésium et aluminium, nous montrerons que la proportion des collisions asymétriques est une fonction croissante de l'énergie des ions incidents, mais reste faible dans notre domaine d'énergie (2 - 16 keV). Les résultats que nous présentons ont pour la plupart fait l'objet de publications antérieures.