Study of uranium dioxyde sputtering induced by multicharged heavy ions at low and very low kinetic energy: projectile charge effect.
Etude de la pulvérisation du dioxyde d'uranium induite par des ions lourds multichargés de basse et très basse énergie cinétique ; effet de la charge du projectile
Résumé
Ion beam irradiation of a solid can lead to the emission of neutral or ionized atoms, molecules or clusters from the surface. This comes as a result of the atomic motion in the vicinity of the surface, induced by the transfer of the projectile energy. Then, the study of the sputtering process appears as a means to get a better understanding of the excited matter state around the projectile trajectory. In the case of slow multicharged ions, a strong electronic excitation can be achieved by the projectile neutralization above the solid surface and / or its desexcitation below the surface. Parallel to this, the slowing down of such ions is essentially related to elastic collision with the target atoms. The study of the effect of the initial charge state of slow multicharged ions, in the sputtering process, has been carried out by measuring the absolute angular distributions of emission of uranium atoms from a uranium dioxide surface. The experiments have been realized in two steps. First, the emitted particles are collected onto a substrate during irradiation. Second, the surface of the collectors is analyzed by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS). This method allows the characterization of the emission of neutrals, which are the vast majority of the sputtered particles. The results obtained provide an access to the evolution of the sputtering process as a function of xenon projectile ions charge state. The measurements have been performed over a wide kinetic energy range, from 81 down to 1.5 keV. This allowed a clear separation of the contribution of the kinetic energy and initial projectile charge state to the sputtering phenomenon.
L'irradiation d'un solide par un faisceau d'ions peut conduire à l'émission d'atomes, de molécules ou d'agrégats, neutres ou ionisés, traduisant la mise en mouvement des atomes à proximité de la surface. L'étude de la pulvérisation permet alors de mieux comprendre l'état de la matière résultant de l'excitation induite par le passage de l'ion. Dans le cas d'ions lents multichargés, la neutralisation du projectile, au dessus de la surface, peut conduire à une forte excitation électronique dans un domaine de vitesse où les collisions élastiques avec les atomes de la cible sont à l'origine du ralentissement de l'ion incident. L'etude de l'effet de la charge initiale de tels ions sur le processus de pulvérisation, a été réalisée par la mesure absolue des distributions angulaires d'émission d'atomes d'uranium depuis une surface de dioxyde d'uranium. Les expériences ont été réalisées en deux étapes, la collection des particules émises sur un substrat durant l'irradiation étant suivie d'une analyse, par Spectroscopie de Rétrodiffusion Rutherford (RBS), de la surface de ces derniers. Cette methode permet de caractériser l'émission des particules neutres, qui représentent la vaste majoritée des éjecta. Les résultats obtenus donnent accès à l'évolution du processus de pulvérisation, en fonction de l'état de charge d'ions lourds xénon, sur une gamme d'énergie cinétique s'étendant de 1,5 à 81 keV et pour différents angles d'incidence des projectiles. Il apparaît, entre autres, un accroissement important du rendement de pulvérisation avec l'état de charge initial sous incidence normale.
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