MÉCANISMES D'IONISATION SIMPLE ET MULTIPLE DANS QUELQUES VAPEURS MÉTALLIQUES, PAR IMPACT ÉLECTRONIQUE

(1)

HAL Id: jpa-00214624

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00214624

Submitted on 1 Jan 1971

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

MÉCANISMES D’IONISATION SIMPLE ET MULTIPLE DANS QUELQUES VAPEURS MÉTALLIQUES, PAR IMPACT ÉLECTRONIQUE

R. Abouaf

To cite this version:

R. Abouaf. MÉCANISMES D’IONISATION SIMPLE ET MULTIPLE DANS QUELQUES VAPEURS MÉTALLIQUES, PAR IMPACT ÉLECTRONIQUE. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C4), pp.C4-128-C4-131. �10.1051/jphyscol:1971423�. �jpa-00214624�

(2)

MÉCAM sME

s

D'ION1 SATION SIMPLE ET MULTIPLE

DANS QUELQUES VAPEURS

MTALLIQUES,

PAR IR/IPACT ÉLECTRONIQUE

R. ABOUAF

Laboratoire de Collisions Electroniques, Associé au C N R S, Faculté des Sciences, 91, Orsay

Résumé. - On montre que de nombreux changements de pente observés dans les courbes d'ionisation des ions atomiques multichargés sont attribuables à l'effet Auger simple (Srz+, Ba2+, Mn2+, Mn4+). Cependant, dans le cas d'ions très chargés (Mns+, Mn6+, Cds+, Cd6+ et quelques ions de In et de Ag) des éjections supplémentaires se produisent, soit pendant l'acte primaire d'ionisation (ionisation primaire multiple : Cd5+, In5+, A@+) soit pendant la cascade Auger (transition Auger multiple In?+, Ag+7).

Abstract. - We show that various breaks observed in ionization efficiency curves of multi- charged dtomic ions are due to simple Auger process (Srz+, Ba2+, Mn2+, Mn4+). However in the case of high charged ions (Mn5+, Mn6+, Cd5+, Cd5+ and some Ag and In ions), additional electrons are ejected either during the primary ionization (multiple primary ionization : Cds+, In5+, Ags+) or during the Auger cascade (multiple Auger transition In7+, A@+).

Lors du bombardement d'un, gaz atomique par des électrons, plusieurs processus concourent à la formation d'ions simplement ou multiplement chargés : le processus direct - éjection de un ou plusieurs électrons par interaction avec l'électron incident -

et les processus « supérieurs ». Ces derniers sont, d'une façon générale dus à la préionisation. Pour des éner- gies faibles de l'électron incident (quelques dizaines d'eV) les électrons éjectés ou excités sont ceux des couches les plus externes. Lorsque l'énergie de l'élec- tron incident croît, des électrons des couches internes peuvent être éjectés. La réorganisation de l'atome ionisé peut se faire, soit par une transition radiative, soit par une transition non radiative (effet Auger), soit encore par une cascade de transitions d'un type ou de l'autre. Les transitions radiatives laissent inchan- gée la charge de l'ion alors que chaque transition Auger l'augmente d'une unité. De plus, la variation brusque du potentiel central peut produire des éjec- tions supplémentaires ( a shake-of»). L'étude des ions de différentes charges créés par impact électro- nique apporte des renseignements sur l'existence des processus supérieurs et sur leur importance.

1. Partie expérimentale. - Notre étude est faite sur les vapeurs métalliques, à l'aide d'un spectromètre de masse à secteur de 600, la source d'ions étant de type Nier, les vapeurs métalliques étant produites par une cellule de Knudsen (Fig. 1). On observe la variation de la section efficace en fonction de l'énergie des électrons o = f (E), pour un ion de charge donnée.

pompes

FIG. 1. - Schéma de i'appareil.

Les courbes obtenues permettent de mettre en évi- dence des structures correspondant aux différents processus de formation des ions. Selon leur abondance et leur seuil d'apparition, ces derniers seront plus ou moins visibles sur la courbe ^o= f (E) (Fig. 2).

II. Résultats. - A. CAS DES IONS 1 3. OU 2

+.

^-

Après les études sur les alcalins [l, 2, 31 qui mon- traient des préionisations très importantes sur Ki, Rb+ et Cs+ dues à la promotion d'un électron p sur la couche s suivante (états préionisés du type np5(n

+

1) s2) nous avons étudié les alcalino-terreux.

Sri et Ba+ [4, 51 présentent aussi des préionisations très importantes (Fig. 3). Les états préionisés respon- sables de ces structures sont du type

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971423

(3)

MÉCANISMES D'IONISATION SIMPLE ET MULTIPLE DANS QUELQUES VAPEURS C4-129

Ill al .- L

e L

D L O Ln 'al rr

C 3

RG. 2. - Diverses formes de courbes a = f ( E ) . La somme des contributions du processus direct et du processus supérieur est indiquée en pointillés. La courbe en trait plein correspond

au processus direct.

FIG. 4. - a = f (E) pour Sr2+ et Ca'+. Les flèches indiquent les etats neutres préionisés, Sr 4 ps 5 s ' i d et Ca 3 p4 4 s2(

2.

On a aussi indiqué les énergies des couches 4 p de Sr et 3 p de Ca.

( T i

FIG. 3. - a = f ( E ) pour Sr+, Ba+ et Na+. Les flèches indiquent les états neutres préionisés Ba 5 p4 6 s i

(:

^et

4 pi 5 s2

(

nd pour Sr' _ns , 5 p5 6 s2

(nt

^{pour Ba'} ^,

des structures analogues étant d'ailleurs observées pour Caf et Mg+ 16, 71. Dans le cas de Ca et Sr les énergies de ces états préionisés étant supérieures au potentiel d'ionisation double, ils peuvent se préioniser dans le continuum, soit d'ionisation simple, soit d'ionisation double. Le second processus est beaucoup moins probable que le premier, cependant, l'expérience montre qu'il n'est pas négligeable (dans Sr2+ 3 %)

(Fig. 4). Sur cette même figure, on voit aussi deux effets Auger très nets. Après ionisation en couche 4 p on aura pour Srzf la transition 4 p

-

5 s 5 s et pour Ca2' 3 p

-

4 s 4 S. De la même façon Ba2+ est formé par la transition Auger 5 p- 6 s 6 S.

B. CAS DES IONS MULTIPLEMENT CHARGÉS. - De nombreux changements de pente dans les courbes

5 = f (E) s'expliquent par effet Auger simple comme dans le cas de Sr2+ et Ba2+. Ainsi pour les ions du manganèse [8] les explications par effet Auger sont satisfaisantes pour Mn2', Mn4+ (Fig. 5 et 6). On obtiendra Mn2+ après une ionisation en couche 3 p par l'une des transitions

10 20 30 40 50 60 70

FIG. 5.

-

^a⁼f (E) pour Mnz+ jusqu'a 80 eV.

et Mn4+ par la cascade :

consécutive à l'ionisation en couche 2 p.

Dans de nombreux autres cas l'interprétation par effet Auger simple se heurte à des difficultés :

1. Le seuil apparent du processus ne correspond pas à l'énergie d'ionisation en couche profonde.

2. Les cascades Auger à partir de la lacune consi- dérée et conduisant à l'ion observé sont énergétique- ment impossibles (endothermiques). Comme exemple

(4)

il-

*

^\

'-

^4--

FIG. 6. - Détails de a = f (E) pour Mn4+, Mns+ et Mn6+

près des changements de pente.

du cas 1. Considérons la courbe a = f (E) obtenue pour Cd5+ [SI (Fig. 7). Le seuil du processus supérieur est 450

+

10 eV, donc assez différent de l'énergie de la couche 3 d (404 ou 41 1 eV). On interprète la formation de Cd5+ par une cascade Auger consécutive à une ionisation primaire multiple. La figure 7 montre que

auteurs et d'autres méthodes.

Ainsi, dans des expériences de photoionisation le spectre de photoélectrons comporte un spectre continu d'énergie, interprété comme dû à l'ionisation primaire double [9, 101. Le spectre d'électrons Auger dans le néon montre [11] des pics satellites consécutifs à une ionisation primaire 1 s 2 ^S. De plus l'ionisation primaire multiple est responsable des satellites des spec- tres d'émission X.

Pour notre part, nous avons observé sur Ag et In [12] (Fig 8a et 86) (2 = 47 et 49) qui encadrent

" 300 LOO 500 600 700

FIG. 8a. - Détails des a = f ( E ) pour Agsf et Agaf.

VI

al

.- L

%

e

2 O

.w VI

u C 3 ,

L

300 LOO 500 600 700

7

FIG. 7. - Détails de a = f (E) pour Cds+ et Cd6+. L celle-ci peut être une ionisation triple 3 d 5 s 5 s, les transitions suivantes pouvant conduire à l'ion 6

+

:

3 d 5 s 5s-4s 4 s 5 s 5 s suivie de : eV

400 500 600 700 000 900 1000 4s-4d 4 d

4s-4d 4 d . FIG. 8b. - Détails des a = f ( E ) pour ^In5+et In6+.

3d 3d5s5s m O _L

fl Cf

.-

O L

.- Y

w

^Cd

5+ ^cd6+

^-",^o_ln

\

P m m m

r n m p . m m 4

O V ~ V

mmmm 5+

-Q) .P

' C 1 \ 1 1 I

n

3

eV

I I 1 I I

(5)

MÉCANISMES D'IONISATION SIMPLE ET MULTIPLE DANS QUELQUES VAPEURS C4-131

Cd (Z = 48) dans la classification périodique, des phénomènes tout à fait comparables à ceux observés sur Cd5+ et Cd6+, (Fig. 7), c'est-à-dire faisant appa- raitre une ionisation primaire multiple.

Comme exemple du cas 2 citons Mn5+ et Mn6+

(Fig. 6). Le seuil des processus supérieurs correspond à l'énergie des couches 2 p et 2 s, cependant, les cascades Auger conduisant à MnSi et ~ nsont proba- ~ + blement endothermiques (voir discussion dans réf. 8) et on obtiendra Mn5 ⁺par les transitions

2 p - 3 s 3 s 3 d transition Auger double 3 s 4 - 3 d 4 s

De même pour à partir d'une lacune en couche 2 s on aura

2 s 4 - 2 p 3 p

2 p - 3 s 3 s 3 d transition Auger double 3 s - 3 d 4 s

3 s - 3 d 4 s .

Les résultats que nous venons récemment d'obtenir sur In7+ et Ag7+ [12], apportent de façon encore plus nette la preuve d'éjections supplémentaires (Fig. 9).

En effet les processus Auger qui conduisent à In7+

ou Ag7+ ont pour seuil l'énergie de la couche 3 p.

Or après une ionisation en couche 3 p il n'y a pas de cascade Auger qui puisse conduire aux ions 7

+.

En effet l'ion de charge maximum (6 +) est obtenu après la cascade :

les éjections supplémentaires se produisant probable- ment lors des transitions 3 p-3 d 4 p ou 3 d-4 s 4 s, qui sont les plus exothermiques de la cascade.

Les transitions Auger multiples, invoquées pour rendre compte des cas du type 2, sont aussi observées

Frc. 9. - Processus supérieurs dans Ag7+ et In7+.

par impact photonique [13, 141 dans les gaz rares (notamment des transitions Auger double 1 s-LLL et triple 1 s-LLLL dans le néon).

Conclusion. - Ionisation primaire multjple et transitions Auger multiples observées sur les gaz rares ont été dans de nombreux cas expliquées avec succès par la théorie de ⁽⁽Shake-olf» [9, 10, 13, 141. Un électron est excité ou éjecté sous l'effet d'un change- ment soudain du potentiel central. Ce dernier, vu par lYéIectron, est constitué de la charge nucléaire dimi- nuée de l'écran créé par les autres électrons. La variation de potentiel peut donc être réalisée soit par une variation brutale de charge nucléaire (radioactivité j?) soit par une altération rapide de la configuration électronique (photoionisation, impact e - , transition Auger). A partir des résultats obtenus pour Cd, Ag et In, nous espérons pouvoir relier les probabilités d'éjections supplémentaires observées, au phénomène de shake-off.

Bibliographie [Il TATE (J. T.) et SMITH (P. T.), Phys. Rev., 1934,46,773.

[2] KORCHEVOI (Y. P.) et PRZONSKI (A. M.), SOV. Phys.

JETP, 1967,24,1089.

[3] FIQUET-FAYARD (F.) et LAHMANI (M.), J. Chim. Phys., 1962, 59, 1050.

141 ZIESEL (J. P.) et ABOUAF (R.), J . Chim. Phys., 1967,64, 702.

[SI ZIESEL (J. P.), J . Chim. Phys., 1967,64, 695.

[6] KANEKO (Y.), J. Phys. Soc. Japan, 1961, 16, 2288.

[7] KANEKO (Y.) et KANOMATA (I.), J. Phys. Soc. Japan, 1963,18,1822.

[8] ABOUAF (R.), J. Physique, 1970, 31, 277.

[9] CARLSON (T. A.), Phys. Rev., 1967, 156, 142.

[IO] CARLSON (T. A.) and KRAUSE (M. O.), Phys. Rev.

Letters, 1966, 17, 1079.

[Il] KORBER (H.) et MELHORN (W.), 2. Phys., 1966, 191, 217.

[12] ABOUAF (R.) J. Physique.

[13] CARLSON (T. A.) et KRAUSE (M. O.), Phys. Rev. Lettevs, 1965, 14, 390.

[14] KRAUSE (M. O.) et CARLSON (T. A.), Phys. Rev., 1966, 149, 52.