Experimental studies of ions and atoms interaction with insulating surface
Etude expérimentale de l'interaction rasante d'atomes et d'ions sur des surfaces isolantes
Résumé
Grazing collisions (<3 deg.) of keV ions and atoms: H^+, Ne^+, Ne^0 , Na^+ on LiF (001) single crystal, an ionic insulator, are investigated by a time of flight technique. The incident beam is chopped and the scattered particles are collected on a position sensitive detector providing differential cross section while the time of flight gives the energy loss. Deflection plates allow the charge state analysis. Secondary electrons are detected in coincidence allowing direct measurements of electron emission yield, angular and energetic distribution through time of flight measurements. The target electronic structure characterized by a large band gap, governs the collisional processes: charge exchange, electronic excitations and electron emission. In particular, these studies show that the population of local target excitations "surface excitons" is the major contribution to the kinetic energy transfer (stopping power). Auger neutralization of Ne^+ and He^+ ions reveals the population of quasi-molecular excitons, an exciton bound on two holes. Referenced in the literature as "trion". A direct energy balance determines the binding energy associated with these excited states of the surface. Besides these electronic energy loss processes, two nuclear energy loss mechanisms are characterized. These processes imply momentum transfer to individual target atoms during close binary collisions or, if the projectile is charged, to collective mode of optical phonons induced by the projectile coulomb field. The effect of the temperature on the scattering profile, the contribution of topological surface defects to the energy loss profile and to skipping motion on the surface are analyzed in view of classical trajectory simulations.
Ce manuscrit rapporte différentes études expérimentales de collisions sous incidence rasante rasantes (<3 deg.) d'atomes et d'ions de H^+, Ne^+, Ne^0 , Na^+...à des énergies voisines du keV avec une surface mono-cristalline d'isolant ionique, le fluorure de lithium LiF(100). Le faisceau incident est pulsé et les particules diffusées sont recueillies sur un détecteur sensible en position procurant les sections efficaces différentielles tandis que temps de vol détermine la perte d'énergie. L'analyse de l'état de charge se fait par un déflecteur électrostatique. Les électrons secondaires sont détectés en coïncidence permettant une mesure de leur temps de vol et donc de leur énergie. On mesure également le rendements d'émission électronique et la distribution angulaire. La structure électronique de ce type de cible, caractérisée par la présence d'une large bande interdite, affecte profondément les mécanismes d'échange de charge, d'excitation électronique et d'émission électronique. Ces études mettent en évidence la création de d'états excités de la cible "excitons de surface" qui contribuent fortement au pouvoir d'arrêt. La neutralisation Auger des ions He^+ et Ne^+ est accompagnée de la population d'excitons délocalisés sur deux lacunes électroniques: des "trions". L'énergie de liaison de ces états est directement déterminée à partir des bilans d'énergie. Deux mécanismes de perte d'énergie nucléaire sont également mesurés. Ces processus impliquent un transfert de moment soit vers un seul atome de la cible lors de collisions rapprochées (collisions binaires) soit, si le projectile est chargé, vers les modes collectifs de phonons optiques par l'intermédiaire du champ coulombien du projectile. L'effet observé de la température sur le profil de diffusion, la contribution des défauts topologiques de la surface au profil de perte d'énergie et a l'effet ricochet sont analysés par des simulations de trajectoire classique.