Couches épaisses sous irradiation purement électronique

Dans ce paragraphe nous allons tenter de faire une synthèse des résultats obtenus suite aux irradiations de couches épaisses de silices mésoporeuses irradiées par des ions de hautes énergies (quelques centaines de MeV) au Ganil. Dans ces conditions d’irradiation, l’énergie de la particule incidente est déposée par des effets purement électroniques. Rappelons que dans ce régime d’irradiation, pour un dépôt d’énergie supérieur à un seuil des défauts étendus consécutivement à des collisions électroniques multiples conduisent à la création de traces latentes. Dans le cas de la silice dense, ces traces se forment pour un pouvoir d’arrêt électronique supérieur à 4 keV/nm. Notons enfin, que dans toutes ces expériences, l’épaisseur des échantillons est inférieure à la profondeur de pénétration des ions.

Dans ce qui suit, l’évolution des structures mésoporeuses a été mesurée par isotherme d’adsorption- désorption d’azote qui permet d’obtenir, pour la porosité ouverte, la distribution de taille de pores, la surface spécifique ainsi que le volume poreux.

1.3.1 Comparaison des structures SBA-15 et MCM41

Ne dE/dx (Elec) = 0.77keV/nm Ar dE/dx (Elec) = 2.9keV/nm

Ne SBA-15 initialement 0,785 cm3/g Ar SBA-15 initialement 0,644 cm3/g Ni SBA-15 initialement 0,799 cm3/g Ne MCM-41 initialement 0,463 cm3/g Ar MCM-41 initialement 0,617 cm3/g Variat ion d e vo lume po reu x en pou rcen tag e Dose (1020 keV/cm3)

Ni dE/dx (Elec) = 5.6keV/nm

Figure VI-8: Variation du volume poreux des couches épaisses de SBA-15 en fonction de la

dose Délec. pour des irradiations avec des ions Ne et Ar

Comme nous l’avons déjà indiqué au Chapitre III, la MCM-41 présente une sensibilité plus forte à l’irradiation comparativement à la SBA-15. On observe un effondrement de la structure MCM-41 pour une dose relativement faible de 2×1020 keV/cm3, alors qu’une faible évolution est observée dans ces conditions pour la structure SBA-15.

Il semble que ces différences soient en relation avec la dimension des pores des échantillons, et notamment avec la présence ou non de microporosité. Comme cela a été présenté au chapitre III, les micropores sont d’abord impactés, suivi des petits mésopores de MCM-41 (~3,6 nm, méthode NLDFT). Les grands mésopores de SBA-15 sont affectés en dernier. C’est aussi le cas pour les couches minces sous irradiation d’or : les couches 3D 2nm montrent une section efficace d’endommagement légèrement plus grande que celles de 3D 4nm.

Il est probable également que les processus de dissipation de la chaleur dans le milieu poreux, notamment pour des couches épaisses, soit également un facteur à prendre en considération. Il est difficile de déterminer, a priori, quel matériau est le plus efficace de ce point de vue.

Un schéma récapitulatif du comportement de ces deux structures mésoporeuses est présenté sur la

Figure VI-9. Pour la MCM-41 sous irradiation avec des ions Ar ou Ne, les mésopores sont

partiellement transformés en plus petits pores. Certains mésopores deviennent isolés. La symétrie des pores est « amorphisée » mais reste intacte dans certaines régions. Pour la SBA-15 sous les mêmes irradiations, les mésopores restent stables jusqu’à la fluence atteinte. Mais les micropores sont éliminés.

Figure VI-9. Schéma représentatif des processus d’endommagement des structures SBA-15 et MCM-41par des ions Ne et Ar ayant un pouvoir d’arrêt électronique inférieur au seuil de formation de trace.

1.3.2 Influence du pouvoir d’arrêt sur l’endommagement de SBA-15

Nous avons vu au paragraphe précédent que seule la structure SBA-15 avait un comportement évident sous irradiation électronique par des ions de hautes énergies. C’est pourquoi nous avons étudié l’influence du pouvoir d’arrêt de l’ion sur l’endommagement de cette structure (Figure

VI-7). 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,05 0,00 -0,05 -0,10 -0,15 -0,20 -0,25

Ne dE/dx (Elec) = 0.77keV/nm Ar dE/dx (Elec) = 2.9keV/nm

Ne SBA-15 Ar SBA-15 Ni SBA-15 Va riat io n de vol um e poreux (cm 3 /g) Dose (1021 keV/cm3)

Ni dE/dx (Elec) = 5.6keV/nm

Figure VI-10. Variation de volume poreux des couches épaisses SBA-15 en fonction de la dose Délec. Irradiés par les ions Ne, Ar, Ni, présentant respectivement un pouvoir d’arrêt égal à

0,77-2,9 et 5,6 keV/nm.

MCM-41 sous Ne et Ar <= Strace င

Pores isolés

« Amorphisation » et transformer aux plus petits pores

Symétrie conservée dans certaines régions

SBA-15 sous Ne et Ar<= Strace

Ces résultats indiquent, comme cela pouvait être prévu, que cette structure est sensible au pouvoir d’arrêt de l’ion. Les ions possédant un pouvoir d’arrêt supérieur au seuil de formation de traces dans la silice (Ni : dE/dx=5,6 keV/nm) engendre un endommagement important du matériau conduisant à une densification de cette structure. Dans ces conditions, pour une dose Délec.~ 9×1020 keV/cm3,

la densification de la structure n’est pas complète. Ce résultat est conforme aux travaux présentés par Klaumunzer sur les verres Vycor irradiés par des ions de haute énergie Ar 70 MeV (dE/dx = 3,5keV/nm), Kr 260 MeV (dE/dx = 6,8keV/nm) et Xe 340 MeV (dE/dx = 9,2 keV/nm). Dans ces conditions, la densification complète de la structure a été observée pour une dose Délec.~ 8×1021

keV/cm-3 Bien que des différences importantes existent entre les SBA-15 et les verres Vycor, en effet ces derniers correspondent à des silices de type « classique » puisqu’ils sont élaborés à haute température 1200°C, leur comportement sous irradiation présente de grandes similitudes. Le modèle proposé par Klaumunzer pour rendre compte de ce comportement est basé sur une relaxation de la contrainte de cisaillement générée par une différence de température entre le cœur et la périphérie de la trace qui conduit à la compaction observée.

Un schéma de principe de la densification des silices mésoporeuses SBA est présenté sur la Figure

VI-11. Les mésopores cylindriques dans la SBA-15 sous irradiation Ni se rétrécissent

uniformément. Les micropores sont fermés en premier.

Figure VI-11. Schéma représentatif du processus d’endommagement des structures SBA-15 par des ions Ni ayant un pouvoir d’arrêt électronique supérieur au seuil de formation de trace.