Endommagement des silices mésoporeuses par des ions Au (0,5<E<12MeV)

comprise entre 0,5 et 12MeV. Dans cette gamme d’énergie, au moins jusqu’à une valeur de 3 MeV (voir Chapitre IV Tableau IV-1), les processus balistiques sont prépondérants.

Le modèle Marples basé sur le recouvrement des zones endommagées sera appliqué pour modéliser les courbes d’évolution de la densification en fonction de la fluence et obtenir une section efficace d’endommagement. Le principe du modèle est présenté dans le Chapitre I, « Etude bibliographique ». On rappelle l’équation finale :

οఘ ఘ_బ

ൌ ቀ

οఘ

ఘ_బ

ቁ

ሺͳ െ ݁ݔ݌ሺെݒܴݐሻሻ

Cette équation (1) a initialement été utilisée pour l’irradiation interne dans le but d’extraire le volume endommagé par chaque évènement (désintégration radioactive). Pour les irradiations externes sur des couches minces, nous supposons que la zone endommagée est approximativement cylindrique, ce qui permet de calculer une surface endommagée par un ion, que l’on peut assimiler à une section efficace. Il suffit pour cela, de remplacer le terme vRt dans l’expression (1) par σF dont σ est la surface endommagée (section efficace), F est la fluence.

Notons également qu’un modèle de Marples plus sophistiqué, peut prendre en compte un recuit des défauts au cours de l’irradiation. Toutefois, les mesures que nous avons réalisées (nombre de point et incertitude) ne permettent pas une telle approche. C’est donc le modèle dans sa version simple qui a été utilisé pour exploiter les résultats.

1.2.1 Endommagement des silices mésoporeuses par des ions Au 0,5MeV

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 19 20 21 22 23 24 25 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8

Ajustement "Methode Angle critique" Ajustement "Methode Epaisseur Convertie" Ajustement "Ajustement Gibaud"

Densite glob ale d e co uche (g/ cm 3 ) Fluence (x1014Au/cm2)

Figure VI-3. Ajustement par le modèle de Marples de la densité globale des couches 2D 4nm sous irradiation Au 0,5MeV (méthode du moindre carré)

La Figure VI-3 montre le résultat de l’ajustement par le modèle de Marples des points expérimentaux relatifs à l’évolution de la densité des couches 2D 4nm sous irradiation Au 0,5MeV pour les différentes méthodes de traitement utilisées. La surface endommagée σ (section efficace) obtenue à partir de ces traitements est 0,91 nm2, 0,62 nm2 et 0,52 nm2 respectivement par les méthodes de l’angle critique, de l’épaisseur convertie et de l’ajustement théorique (Gibaud). Ces valeurs sont du même ordre de grandeur et conduisent à un diamètre de la surface endommagée de 0,93±0,14nm. Ce diamètre est très inférieur au diamètre des pores de la structure qui est d’environ 4 nm.

1.2.2 Influence de l’énergie des ions sur l’endommagement des silices

mésoporeuses et non poreuse classique

Le modèle de Marples a également été appliqué pour déterminer une section efficace d’endommagement en fonction de l’énergie des ions (voir la Figure VI-4). La diminution d’épaisseur ainsi que les ajustements Marples sont également présentés sur la Figure VI-4.

0 2 4 6 20 21 0 10 20 30 40 50 60 Th ickness d ecre ase (%) Fluence (x1014 Au/cm2) Au 0,5MeV Au 3MeV Au 7MeV Au 12MeV

Marples fit Au 0,5MeV Marples fit Au 3MeV Marples fit Au 7MeV Marples fit Au 12MeV

Figure VI-4. Diminution de l’épaisseur totale des couches 2D 4nm en fonction de la fluence pour différentes énergies des ions Au 0,5-3-7-12 MeV et ajustement correspondant.

0 2 4 6 8 10 12 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Au 0,5MeV Sigma (nm 2 ) Au Ion Energy (MeV)

Figure VI-5. Surface endommagée par ion σ (section efficace d’endommagement) calculée à partir modèle de Marples. La méthode de calcul de densité est « l’épaisseur convertie » Le critère est le moindre carré.

La courbe présentée sur la Figure VI-5 met en évidence que la section efficace d’endommagement des ions Au 3-7 MeV est plus basse que celle des ions Au 0,5-12 MeV. L’endommagement est plus fort quand le processus de dépôt d’énergie est soit très balistique, soit très électronique. Ce résultat est cohérent avec l’observation qualitative des courbes RRX présentées au Chapitre IV, Figure

IV-13. Ce résultat a été également comparé avec celui obtenu par Toulemonde sur des silices

0,1 1 10 0,3 0,4 0,5 2 3 4 5 "Ra yon de sect io n ef fica ce" (nm)

Energie d'Au (MeV)

Figure VI-6. Comparaison des sections efficace d’endommagement. Les triangles rouges sont

obtenus à partir des irradiations de silice mésoporeuse 2D 4nm. Les marques noirs sont tirés des études de Toulemonde [66, 93] (respectivement mesures par infrarouge et mesures par SAXS).

On observe que le rayon de la surface d’endommagement par les ions Au, pour les silices mésoporeuses, est très inférieur au rayon obtenu dans les mêmes conditions d’irradiation pour les silices classiques. L’origine de cet écart est difficile à interpréter, mais il est vraisemblable qu’il soit lié à la nature différente du réseau de silice. Bien que la silice mésoporeuse sol-gel soit recuite à 400°C, il est probable que le réseau de silice présente un caractère métastable, favorable pour la recombinaison des défauts créés par l’irradiation, ce qui n’est pas le cas de la silice thermique dense « classique » élaborée à 1000°C. Par ailleurs, le minima de la courbe de forme U (appelée aussi « U-shaped ») dans les travaux de Toulemonde, est légèrement décalé par rapport à celui observé sur la courbe qui a été établie à partir des résultats obtenus dans cette étude, ce qui indique que les effets d’énergie dans la silice mésoporeuse et dans la silice « classique » sont dissociés et que la définition de section efficace dans ces deux matériaux n’est pas la même.

Cependant, il apparait que le « rayon d’endommagement » obtenu est plus petit que la taille des pores (~4 nm). Il faut également considérer que la présence de tels pores pourrait remettre en cause la validité d’application du modèle de Marples ainsi que la définition de section efficace dans ces deux types de matériaux.

Pour conclure, on peut retenir que le phénomène de saturation de la densification pour les silices mésoporeuses est observé pour une valeur de dose supérieure à celle de la silice sol-gel non poreuse (Dnucl.~ 9×1021 keV.cm-3 contreDnucl.~ 4,5 à 9×1021 keV.cm-3 ) qui est elle-même supérieure à celle

de la silice non poreuse « classique » (Dnucl.~ 1021 keV.cm-3). Ceci indique une tolérance plus élevée

à l’irradiation de silice sol-gel (polymérisation du réseau), mais également du fait de la présence de mésoporosité.

1.2.3 Relation entre l’endommagement et la morphologie des silices

mésoporeuses

En suivant la même méthode que précédemment nous avons déterminé une section efficace d’endommagement en fonction de la morphologie des pores (2D 4nm, 3D 4nm, 3D 2nm).

0 2 4 6 19 20 21 22 23 1,0 1,5 2,0 2,5 2D 4nm 3D4nm 3D 2-3nm 2D 4nm 3D 4nm 3D 2-3nm Densite glob ale d e co uche (g/ cm 3 ) Fluence (x1014Au/cm2) Methode angle critique

Figure VI-7. Densité globale de couche de 2D 4nm, 3D 4nm et 3D 2nm et ajustement de Marples correspondant.

La densité globale de couche de 2D 4nm, 3D 4nm et 3D 2nm, calculée par la méthode de prise de l’angle critique est représentée sur la Figure VI-7. Notons que tous les matériaux n’ont pas la même densité initiale (échantillon non-irradié), mais que globalement ils atteignent tous un état de saturation qui correspond à une densification complète de la structure. En appliquant le Modèle Marples, on peut extraire la valeur de la section efficace d’endommagement pour chaque matériau. Les sections efficaces σ des structures 2D 4nm, 3D 4nm et 3D 2nm sont respectivement de 0,91 nm2, 0,48 nm2 et 0,54 nm2. Ces résultats indiquent que l’endommagement dépend de la géométrie des pores : les pores cylindriques sont plus endommagés que les pores sphériques. Dans le domaine de variation de taille de pores investigués, 2 à 4 nm, la taille des pores a peu d’influence sur l’endommagement de la structure. On relève tout de même une section d’endommagement légèrement plus grande pour les plus petits pores.