Nous mesurons un coefficient de collage de fa¸con indirecte par la m´ethode dite de King & Wells (1972). Le film de glace non poreuse est maintenu `
a 10 K et expos´e au jet de D2. Durant l’exposition, le signal de D2 dans l’enceinte principale est mesur´e `a l’aide du QMS. Le signal est la somme d’une composante continue et d’une composante dynamique qui correspond `
a l’interaction du jet avec la surface. La figure 9.2 montre un r´esultat typique d’une telle mesure.
Pendant les ∼ 40 premi`eres secondes d’exposition, le signal de D2 dans l’enceinte d´ecroit lin´eairement. Il pr´esente ensuite une mont´ee pour atteindre un plateau au bout de ∼ 80 s. Ce plateau reste ensuite inchang´e tant que le flux du jet est maintenu, ce qui montre qu’un r´egime stationnaire est atteint. L’intensit´e du signal en r´egime stationnaire est la mˆeme que celle mesur´ee quand la surface est `a TS = 30 K ou qu’un ´ecran, plac´e sur le trajet du faisceau dans l’enceinte principale, empˆeche les mol´ecules du jet d’atteindre directement la surface. Nous pouvons donc interpr´eter ce plateau comme un r´egime dans lequel, bien que le jet atteigne la surface, aucune mol´ecule ne s’y accumule. Il correspond donc `a un r´egime de coefficient de collage nul. Il s’agit plus pr´ecis´ement d’un r´egime dans lequel le taux de mol´ecules qui touchent la surface est le mˆeme que le taux de mol´ecules qui
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1500 2000 2500 3000 T S= 10 K S ig n a l D2 ( c p s ) Temps d'exposition(s)
Plateau : niveau du signal à T
S= 30 K
Fig. 9.2: Signal de D2 dans l’enceinte durant l’exposition de la glace non poreuse `a 10 K. Le signal est liss´e par moyenne glissante d’une largeur de 2 s. Le niveau de signal qui correspond `a la surface `a 30 K est repr´esent´e par une droite.
s’en ´echappent. Nous pouvons donc en d´eduire que le d´efaut de signal par rapport `a ce plateau, observ´e dans les 80 premi`eres secondes, est la signature du collage de mol´ecules sur la surface.
La r´egion de la courbe o`u le signal d´ecroˆıt, entre 0 et 40 s, montre un coefficient de collage croissant. Un tel comportement a d´ej`a ´et´e observ´e lors d’exp´eriences utilisant des bolom`etres pour mesurer les ´echanges d’´energie gaz-surface par Govers et al. (1980). Les auteurs ont alors conclu que l’aug-mentation du coefficient de collage est due `a l’augmentation de la quantit´e de mol´ecules d´ej`a adsorb´ees sur la surface. Ils soulignent que la masse des corps est importante pour l’efficacit´e de transfert d’´energie cin´etique par collisions lors du processus d’adsorption. En particulier, quand une mol´ecule D2 du jet heurte une mol´ecule D2 adsorb´ee sur la glace, le transfert d’´energie est am´elior´e. Le collage est de cette fa¸con plus efficace en pr´esence de mol´ecules d´ej`a adsorb´ees.
Apr`es 40 s, le coefficient de collage cesse de croˆıtre et le signal augmente. Cette augmentation est due `a des mol´ecules qui commencent `a d´esorber de la surface apr`es y avoir ´et´e coll´ees, leur temps de r´esidence ´etant trop court `a 10 K. Nous avons en effet montr´e que le temps de r´esidence des mol´ecules sur la glace d´ecroˆıt quand la quantit´e de mol´ecules adsorb´ees augmente. La dose de saturation sur une glace non poreuse `a 10 K se situe autour de 0, 45 ML (voir fig. 6.2 page 95). Cette dose est atteinte en 40 s pour un jet de 1, 1×1013 mol.cm−2.s−1. Cette valeur est en bon accord avec notre estimation du flux du jet, de 1013mol.cm−2.s−1 (±30%) obtenue ind´ependamment par des mesures
9.2 Formation de D2 sur glace non poreuse : exposition et analyse
simultan´ee 139
de pression. En effectuant une exp´erience TPD apr`es 40 s d’exposition, la courbe TPD correspond bien `a une exposition satur´ee de 0, 45 ML. La mont´ee du signal entre 40 et 80 s montre une transition depuis une quantit´e infime de mol´ecules qui d´esorbent de la surface apr`es avoir ´et´e coll´ees `a une quantit´e qui compense exactement celle de mol´ecules qui collent sur la surface. Il y a alors un nombre de mol´ecules constant sur la surface et le r´egime stationnaire est atteint.
Nous avons op´er´e plusieurs v´erifications pour appuyer cette interpr´ eta-tion. Si une fois le r´egime stationnaire atteint, la vanne d’entr´ee du jet est ferm´ee pendant quelques dizaines de secondes, le signal de D2 dans l’enceinte chute suivant une d´ecroissance exponentielle caract´eristique d’une d´esorption de mol´ecules depuis la surface. Si `a ce stade de l’exp´erience le jet est `a nou-veau ouvert, le signal reprend `a un niveau autour de celui qui correspond `a 40 s et reproduit imm´ediatement la remont´ee jusqu’au plateau. La zone de mont´ee du signal correspond donc bien au collage de mol´ecules dont le temps de r´esidence est de ∼ 10 s.
Nous avons aussi v´erifi´e qu’en r´ealisant les mˆemes exp´eriences en faisant varier le flux du jet (en modifiant la pression en amont de la chambre 1) le mˆeme comportement ´etait reproduit. L’´echelle de temps des exp´eriences et les valeurs de signal obtenues varient dans les mˆemes proportions.
La courbe figure (9.2) peut ˆetre transform´ee en terme de coefficient de collage absolu. Le signal Y (t) de D2 est compos´e d’un signal rf de mol´ecules refl´echies par la surface et un terme de pression r´esiduelle dans l’enceinte B.
Y (t) = B + rf(t) (9.2.1)
Le coefficient de collage est alors ´egal au rapport entre la part non r´efl´echie et le flux incident F du jet :
S(t) = (F − rf(t))/F (9.2.2)
En r´egime stationnaire (t = ∞), le collage est nul et le flux incident est ´egal `
a la part de mol´ecules r´efl´echies : F = rf(∞). Le coefficient de collage ainsi obtenu est :
S(t) = Y (∞) − Y (t)
Y (∞) − B (9.2.3)
Il est donc n´ecessaire de connaˆıtre la contribution B du signal de pression r´esiduelle. Cette contribution est principalement due `a la diffusion depuis la chambre 3 `a travers le dernier diaphragme. Pour la mesurer, nous avons fait monter la pression dans la chambre 3 `a un niveau ´egal `a celui mesur´e quand le jet fonctionne. La mesure de cette contribution au signal est la principale source d’incertitude dans l’estimation de S(t). Les r´esultats sont montr´es figure 9.3. L’incertitude, due `a l’impr´ecision de la mesure de B, est repr´esent´ee autour de la valeur m´ediane. Sont ajout´ees les mesures de Govers et al. (1980) restreintes `a la gamme de couverture en D2consid´er´ee ici.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Cette étude Govers et al. Hornekaer et al. Co e ff ic ie n t d e c o lla g e Dose exposée (ML)
Fig. 9.3: Evolution du coefficient de collage de D2 sur une surface de glace non poreuse. Notre mesure (trait plein) est montr´ee au centre d’une bande de confiance (trait pointill´es). Les r´esultats de Govers et al. (1980) et Hornekaer et al. (2005) sont ajout´es.
Leurs mesures s’´etendent en r´ealit´e jusqu’`a des couvertures bien sup´erieures grˆace `a un cryostat refroidi jusqu’`a 3 K. Hornekaer et al. (2005) pr´esentent une mesure que nous avons plac´ee arbitrairement `a faible couverture. Il est possible de remplacer notre mesure par une relation lin´eaire, o`u θexp est la dose expos´e, en restant dans la marge d’incertitude :
S(θexp) = 0, 37 + 0, 35θexp (9.2.4)
Nos r´esultats sont tr`es proches de ceux de Govers et al. (1980). Ils montrent notamment une croissance lin´eaire du coefficient de collage avec le taux de couverture. La zone de recouvrement avec nos mesures est tout de mˆeme assez petite. Il est possible que nous ayons surestim´e la contri-bution au signal due au gaz diffus´e. Toutefois il faut aussi consid´erer que nos ´echantillons respectifs sont diff´erents. Le ”cryodeposit” ´etudi´e par nos pr´ed´ecesseurs est form´e par condensation lente sur plusieurs heures `a partir de la pression r´esiduelle, probablement domin´ee par la mol´ecule d’eau, pr´ e-sente dans l’enceinte au moment de la descente en temp´erature de leur porte-´
echantillon . La pr´esence d’eau r´esulte de l’utilisation de pompe `a diffusion d’huile d’usage courant `a cette ´epoque. Ajoutons `a cela que leur angle de d´ e-position est proche de 90◦(contraint par les nombreux ´ecrans du cryostat) et que la condensation d´ebute `a haute temp´erature (∼ 200 K), le ”cryodeposit” est probablement non poreux mais il peut ˆetre partiellement polycristallin. Comme il est attendu que le coefficient de collage sur la glace cristalline soit
9.2 Formation de D2 sur glace non poreuse : exposition et analyse simultan´ee 141 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Experiences S variable Do s e a d s o rb é e ( M L ) Dose exposée (ML)
Fig. 9.4: Evolution de la dose adsorb´ee de D2 sur une glace non poreuse avec la dose expos´ee. Mesures (cercles) et d´eduction de l’´equation (9.2.1)
plus petit que sur la glace amorphe, il est possible que nos ´ecarts de mesure soient provoqu´es par ces diff´erences de morphologies entre les ´echantillons.
Le coefficient de collage obtenu par Hornekaer et al. (2005) est bien inf´ e-rieur au nˆotre. Mais il faut noter que dans leur exp´erience le jet est `a incidence normale sur la surface, tandis que le nˆotre a une incidence de 39◦. Ici encore, les mesures ne sont pas parfaitement comparables, l’angle d’incidence pou-vant jouer un rˆole dans le collage.
La courbe de Langmuir, encart de la figure (6.2), issue de l’´etude TPD sur la glace non poreuse est reprise figure (9.4). Nous avions alors conclu que le coefficient de collage semblait constant dans la gamme de taux de couverture explor´ee, ce qui semble en contradiction avec nos pr´esentes conclusions. Le trait plein repr´esente l’´evolution de la dose adsorb´ee en fonction de l’exposition d´etermin´ee `a partir de la relation (9.2.1). Nous voyons que cette variation du coefficient de collage n’a que peu d’incidence sur la quantit´e adsorb´ee au total sur la glace et qu’il est difficile de la distinguer d’un coefficient de collage constant.
Une autre remarque importante concerne la d´efinition mˆeme du coeffi-cient de collage. Nous avons mesur´e ici un coefficient de collage d´efini par rapport `a la quantit´e de mol´ecules qui restent coll´ees sur la surface pendant un temps long par rapport `a la dur´ee de l’exp´erience. Govers et al. (1980) emploient une d´efinition diff´erente : les mol´ecules qui collent sont celles qui se mettent en ´equilibre thermodynamique avec la surface (se thermalisent). Ils sont en effet capables de mesurer au moyen d’un bolom`etre le transfert d’´energie entre le jet et la surface lors de l’impact des mol´ecules sur l’´
echan-tillon. Ils font ainsi la diff´erence entre les mol´ecules qui rebondissent sur la surface et celle qui s’adsorbent (et donc collent). Mais la d´esorption peut n´eanmoins se produire imm´ediatement apr`es l’adsorption, la diff´erence entre les mol´ecules qui rebondissent et celles qui suivent un processus d’adsorption-desorption est ´etablie `a travers la quantit´e d’´energie transf´er´ee `a la surface. Les mol´ecules qui auront donn´e lieu `a une adsorption-d´esorption se seront thermalis´ees avec la surface. Il ne nous est pas possible ici de faire une telle distinction car nous ne pouvons pas mesurer les transferts d’´energie entre jet et surface. Il faut de plus noter que cette distinction n’est pas bien nette, car les mol´ecules qui rebondissent peuvent tout de mˆeme transf´erer une cer-taine part de leur ´energie cin´etique `a la surface, dont la quantit´e moyenne est donn´ee par un coefficient dit d’accommodation. Il n’est pas ´evident qu’il y ait une discontinuit´e entre les mol´ecules qui transf`erent une grande part de leur ´energie par rebond sur la surface et les mol´ecules qui collent et c`edent l’essentiel de leur ´energie cin´etique initiale.