Pour les ions, le TEL est généralement calculé à l'aide du programme de simulation des interactions rayonnements/matière SRIM2000 (Stopping and Range of Ions in Matter, Ziegler et al. 1985).
A.2. Créations de défauts
'endommagement d'un matériau sous irradiation est directement lié à l'énergie transférée par la particule incidente et donc à son ralentissement. Mais la nature du solide joue également un rôle prépondérant sur les mécanismes de création des défauts et sur leur nature. Aux deux types d'interactions (élastiques ou inélastiques) sont associées deux processus distincts de création de défauts. Dans le premier cas, l'énergie cinétique est directement transférée à l'atome de la cible qui peut sortir de sa position originelle pour créer un défaut. Ce mécanisme d'endommagement dit de collisions atomiques est universel dans le sens où il existe dans tous les solides.
L
Dans le second cas (inélastique), l'énergie requise pour créer un défaut provient de la perturbation du système électronique de la cible qui déstabilise localement la structure atomique Il est donc très sensible à la structure électronique de la cible et n'est efficace que pour certains solides isolants. On fait alors référence à la radiolyse. Dans un cristal, les défauts ponctuels les plus élémentaires sont la lacune (site du réseau vacant) et l'interstitiel (atome du cristal hors de son site cristallographique). L'association de ces deux défauts lacune-intersitiel est une paire de Frenkel, défaut typique produit par irradiation. Pour déplacer un atome de son site et créer une paire de Frenkel, il suffit de lui céder une quantité d'énergie suffisante (en fait quelques dizaines d'électrons-volts). Ce premier atome frappé ou PKA (pour Primary Knock-on Atoms) peut, si son énergie transférée est importante, déplacer d'autres atomes et donner lieu à une cascade de déplacement.
A.2.1. La création d'une paire de Frenkel
L'énergie nécessaire pour créer une paire de Frenkel est l'énergie de déplacement Ed. L'atome doit en effet recevoir un apport en énergie suffisant non seulement pour casser ses liaisons avec le reste du réseau mais aussi pour franchir la barrière de potentiel établie entre sa position d'origine et un site interstitiel stable. Les valeurs de l'énergie Ed différent suivant la structure adoptée par l'élément. Dans une cible donnée, la quantité de défauts introduits dans un solide est liée à la masse, à l'énergie et à la charge de la particule incidente. Le mécanisme qui limite le taux de production de défauts à " basse " température (généralement à l’ambiante) est l'existence d'un volume de recombinaison athermique. On ne peut pas placer un interstitiel près d'une lacune sans qu'ils ne se recombinent spontanément (sans migration assistée thermiquement). La notion de volume de recombinaison est directement liée à celle de l'énergie de seuil de déplacement correspondant à l'énergie nécessaire qu'il faut communiquer à un atome pour qu'il s'échappe du volume de recombinaison.
A.2.2. Les cascades de déplacements
Les PKA d'énergie élevée vont pouvoir déplacer des PKA secondaires qui éventuellement vont pouvoir déplacer d'autres atomes et ainsi de suite. Le matériau subit une sorte d'irradiation interne par des projectiles qui, ayant la même masse que la cible, peuvent lors d'une collision frontale céder toute leur énergie à l'atome frappé.
Dans le cas d'une collision élastique et en utilisant la mécanique classique, l'énergie maximale
T
max qu'une particule de masseM
1 et d'énergie cinétiqueE
peut transmettre à un atome au repos de masseM
2 est donnée par :( )
E 2 1 2 1 max M M M M 4 T + =Les études basées sur les irradiations prennent habituellement en compte un paramètre essentiel : l'énergie
T
acquise par le premier atome cible touché par un ion implanté dont la valeur est comprise entre 0 etT
max. Cette énergie est ensuite distribuée sur plusieurs autres atomes par de multiples collisions provoquant la formation de lacunes organisées en moyenne autour de la direction prise par le PKA. Suivant la valeur de l'énergie transféréeT'
et si on note respectivementE
1 etE
2 les énergies après collision de la particule incidente et de l'atome cible telles queE
1=
T-T'
etE
2= T'
, trois cas peuvent se présenter :E
1>E
d : la particule incidente a suffisamment d'énergie pour poursuivre sonchemin dans le matériau et frapper d'autres atomes du réseau. Soit :
E
2> E
d l'atome touché quitte son site atomique et à son tour effectuedes collisions ce qui conduit à la formation d'une paire de Frenkel.
E
2< E
d l'énergie acquise par l'atome touché est insuffisante, il entreen vibration autour de sa position d'origine, dissipant rapidement l'énergie (plusieurs picosecondes) sous forme de phonon avant de revenir à l'équilibre de température.
E
1< E
d : la particule est arrêtée localement dans la matière, c'estl'implantation. Elle peut occuper deux sites différents suivant son énergie :
E
2> E
d la particule incidente est piégée dans le site atomique de l'atome éjecté sous le choc.E
2< E
d la particule incidente occupe un espace interstitiel puisque l'atome cible est resté en place faute d'énergie.Un seul ion peut donc subir diverses collisions dans le milieu, entraînant les éjections successives de plusieurs atomes hors de leurs sites respectifs qui provoquent eux-mêmes également des déplacements atomiques.
A.2.3. L'amorphisation
L'amorphisation correspond à la transformation de la structure cristalline en une structure amorphe. Elle peut être la conséquence d'un endommagement produit par irradiation. Les mécanismes d'amorphisation par irradiation sont depuis longtemps étudiés et de nombreux modèles ont été développés pour décrire le processus qui conduit à l'amorphisation. Les modèles sont généralement de deux types : le modèle de "l'impact direct" et le modèle "d'accumulation de défauts".
D'après le modèle de "l'impact direct", les domaines amorphes se forment directement dans le cœur de la cascade de déplacements. L'amorphisation complète est atteinte lorsque les domaines amorphes augmentent suffisamment avec l'augmentation de la dose d'irradiation, éventuellement jusqu'à occuper entièrement le volume de l'échantillon. Par contraste, le modèle "d'accumulation de défauts" ponctuels propose que la particule crée des défauts isolés. L'amorphisation se produit spontanément à partir d'une concentration critique en défauts. Le modèle de "l'impact direct" est basé sur une amorphisation hétérogène alors que le modèle "d'accumulation de défauts" est basé sur l'hypothèse d'un processus homogène. Sur la base de ces deux modèles, plusieurs autres modèles ont été développés dans l'attente d'une meilleure compréhension des effets observés. Ces modèles sont les modèles "de recouvrement de cascades", "de recouvrement complexe de défauts", "de nucléation et de croissance"…
Une description plus détaillée sur les interactions entre la particule et la matière, les mécanismes de création défauts et de cascades de déplacement, l'amorphisation peut se trouver dans les références suivantes (Balanzat & Bouffard 1992) (Weber 2000) (Ewing et al. 2000) dont s'inspire cette partie Interaction rayonnement/matière.