MÉCANISME DE FORMATION D'IONS POLYATOMIQUES SECONDAIRES. APPLICATIONS AUX IONS Cu+2 ET Cu+3

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Submitted on 1 Jan 1984

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MÉCANISME DE FORMATION D’IONS

POLYATOMIQUES SECONDAIRES. APPLICATIONS AUX IONS Cu+2 ET Cu+3

P. Joyes

To cite this version:

P. Joyes. MÉCANISME DE FORMATION D’IONS POLYATOMIQUES SECONDAIRES. APPLI-

CATIONS AUX IONS Cu+2 ET Cu+3. Journal de Physique Colloques, 1984, 45 (C2), pp.C2-129-

C2-131. �10.1051/jphyscol:1984229�. �jpa-00223942�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C2, supplément au n°2, Tome *5, février 1984 page C2-129

M É C A N I S M E DE FORMATION D'iONS P O L Y A T O M I Q U E S S E C O N D A I R E S A P P L I C A T I O N S A U X IONS C u * ET C u +

P. Joyes

Laboratoire de Physique des Solides, Bât. 510, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France

Résumé - La formation d'ions secondaires polyatoraiques e s t d é c r i t e comme due à "la capture par un ion secondaire monoatomique d'atomes émis à la s u i t e du même impact primaire.

Abstract - The formation of secondary polyatomic ions is described as resulting from the nucleation on a monoatomic secondary ion of atoms emitted after same primary impact.

I - INTRODUCTION

La production d'ions moléculaires M

ou M

lors du bombardement d'une cible [M] par un faisceau d'ions A

ayant une énergie de l'ordre de 10 keV est un phénomène qui a fait l'objet ces dernières années de nombreuses études expérimentales ou théori- ques /l/. Souvent les intensités I(M±) ou I(Mp) enregistrées dans le spectre de masse présentent un comportement en dent de scie extrêmement marqué avec renforce- ment systématique pour une parité donnée de n.

Ce phénomène a été utilisé d'abord comme une source d'information sur les amas.

Dans ces études / 2 / on postulait une règle de correspondance "intensité •» stabilité"

selon laquelle les amas les plus abondants dans le spectre de masse étaient aussi les plus stables, puis on effectuait des calculs sur la structure électronique des amas concernés qui, en général, permettaient de comprendre ce point.

Plus récemment, on s'est orienté vers une meilleure compréhension du mécanisme d'émission lui-même, ceci pour tenter de relier par une formule ou une formulation mathématique les deux grandeurs physiques (intensité et stabilité) citées plus haut.

Nous avons dans un travail précédent /3/ proposé un mécanisme de formation d'agré- gats secondaires appliqué à l'émission d'ions Aïg émis à partir de cibles d'alumi- nium. Nous nous proposons ici d'étendre ce travail à 1'émission secondaire d'ions Cu£ et CuJ à partir de cibles de cuivre. Ce système est choisi parce que, d'une part, l'intensité de C u | est très élevée (c'est l'amorce d'un phénomène d'alternance pair-impair avec ions de rang impair plus abondants); d'autre part, les courbes de potentiel du système Cu-Cu

sont connues.

Dans le chapitre suivant nous exposerons notre modèle dans ses grandes lignes; nous donnerons ensuite et discuterons nos résultats.

II - FORMATION DE DIMERES ET DE TRIMERES

Après l'impact d'un ion incidentïl émerge d'une région, ayant approximativement quelques dizaines d'angstrbms de rayon, un nombre n

d'atomes neutres (n

^ 6 pour le cuivre) et des ions monoatomiques des deux charges (10~1 à 10"2 par ion

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1984229

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i n c i d e n t ) . Toutes ces p a r t i c u l e s s o r t a n t presque simultanément (1 'ensemble du phé- nomène se déroule en 'approximativement 10-13s); l e problème e s t de s a v o i r avec quel- l e p r o b a b i l i t é un i o n Mt p e u t d'abord c a p t e r un atome M ( f o r m a t i o n d'un dimère M; ) puis, éventuel lement un deuxième atome M ( f o r m a t i o n d ' un t r i m è r e M; , d e s t r u c t i o n d'un dimère M$). On d o i t aussi t e n i r compte de l'accrochage d i r e c t d'un M2 s u r M+.

Le p r i n c i p e du c a l c u l ( l o r s q u ' o n e x c l u t l a formation de t r i m è r e s ) e s t exposé en /3/ : pour une v i t e s s e de M' donnée ( é n e r g i e c i n é t i q u e correspondante e ) on éva- l u e l e nombre d'atomes secondaires M q u i , au moment de l e u r émission (appelons

l a distance Mt - M à c e t i n s t a n t ) sont t e l s que l ' é n e r g i e c i n é t i q u e du système Mt - M dans l e c e n t r e de masse s o i t i n f é r i e u r e à l ' é n e r g i e p o t e n t i e l l e d ' a t t r a c t i o n

Ed2) ( p ) . Notons que 1 'on se r e s t r e i n t au cas des v i t e s s e s p e r p e n d i c u l a i r e s à l a surface de l a c i b l e . Le modèle nécessite l a connaissance de l a d i s t r i b u t i o n énergé- t i q u e e t a n g u l a i r e des M : on a p r i s pour l e c u i v r e l a même forme que pour 1 'alumi- nium ( v o i r /3/, avec Eb

0,5 eV). L ' é n e r g i e E ( p ) e s t aussi f i x é e comme en /3/ à p a r t i r des courbes de p o t e n t i e l s c a l c u l é e par 6" ne méthode a b - i n i t i a :

( ~ 6 2 )

en eV,

en A ) .

Pour que l e c a l c u l de l a formation de t r i m è r e s ( p a r accrochage d'un M s u r M; ) r e s t e simple t o u t en correspondant l e mieux p o s s i b l e au phénomène physique r é e l , nous avons e f f e c t u é deux hypothèses :

( 1 ) On suppose q u ' i l e x i s t p t o u t au cours du phénomène un centre de n u c l é a t i o n ponc- t u e l de v i t e s s e constante V . On ne t i e n t donc pas compte de l a d é l o c a l i s a t i o n de l a charge. De plus, c e t t e hypothèse r e v i e n t à c a l c u l e r l a p r o b a b i l i t é d'accrochage M

M; comme s i tous l e s M$ a v a i e n t l a v i t e s s e ? de M'. Pour j u g e r dans une c e r t a i - ne mesure de l a v a l i d i t é de ce d e r n i e r p o i n t , nous avons c a l c u l é 1 'énergie c i n é t i - que moyenne des Mt perpendiculairement à l a surface e t v é r i f i é q u ' e l l e e s t b i e n l e p l u s souvent procÂe de l a v a l e u r 2e q u ' i m p l i q u e n o t r e hypothèse ( l e p l u s grand é c a r t e s t pour e

3,3 eV où l ' o n o b t i e n t 1,35 e).,

( 2 ) On n ' i n t r o d u i t pour d é c r i r e 1 'accrochage M

M2 qu'une seule énergie p o t e n t i e l - l e é3) ( p ) . En l'absence de données s u r l e s "surfaces du p o t e n t i e l " du système nous avong u t i 1 is é 1 'hypothèse

où a e s t f i x é p a r des arguments s u r l a s t a b i l i t é des amas

e t

On s a i t en e f f e t que, dans une t h é o r i e "à un é l e c t r o n " , l ' é n e r g i e gagnée dans l a r é a c t i o n Cu + Cut

e s t

( 6 : i n t é g r a l e de t r a n s f e r t ) a l o r s q u ' e l l e vaut 2 , 4 ~ dans l a r é a c t i o n Cu +

Cu3 (on a p r i s pour Cu; l a moyenne e n t r e l e s formes l i n é a i r e e t é q u i l a t é r a l e ) . Ceci nous c o n d u i t à prendre

2,4.

Le c a l c u l de l a p r o b a b i l i t é d ' o b t e n i r un M: par l ' a u t r e mode de f o r m a t i o n (accro-

chage M2

Mt) e s t du même type que c e l u i exposé en /3/ pour l e s dimères. On a p r i s

pour d i s t r i b u t i o n a n g u l a i r e e t énergétique des M l e c a r r é de l a d i ç t r i b u t i o n des M

(avec comme nombre t o t a l de M2 . ¹ - 1 ) . Le potenSiel d ' a t t r a c t i o n ~ ~ ( 3 ) ( p ) e s t

aussi c h o i s i du type E?'(P) = aiE$(p) où al e s t l e r a p p o r t de l ' é n e r g i e gagnée

dans l a r é a c t i o n Cu2 + Cut -. CU^ ^à l ' é n e r g i e gagnée dans l a r é a c t i o n Cu + Cut

Cu?,

s o i t

= 1,4. Comme l e s deux modes de formation d'un Cu; sont en général peu pro-

bables, on peut l e s supposer indépendants e t a j o u t e r l e s p r o b a b i l i t é s obtenues dans

l e s deux c a l c u l s .

III - RESULTATS e t DISCUSSION

Nous avons p o r t é dans l e tableau 1 l e s valeurs obtenues pour l e s p r o b a b i l i t é s de former un Cu3 ou un Cu$ , respectivement: et P(2' . NOUS avons p l a c é dans une même c o l onne l e s probabi 1 i t é s correspondant à des p a r t i cules q u i o n t approximativement l a même énergie d'émission

Pour ceci nous supposons, comme dans l'hypothèse ( 1 ) développée p l u s haut, que l e s p r o b a b i l i t é s pl3) e t

calculées lorsque l e c e n t r e de n u c l é a t i o n o r i g i n e l a l ' é n e r g i e e correspondent à des t r i m è r e s d ' é n e r g i e s

v a l a n t approximativement 3e e t 2e.

Tableau 1 - P r o b a b i l i t é s de formation d ' u n dimère ou d'un t r i m è r e

On peut a i n s i estimer l e r a p p o r t r 3 1 ( c ) des courants de t r i m è r e s e t d ' i o n s simples pour d i f f é r e n t e s énergies d'émission e . On aura :

où l e f a c t e u r e n t r e crochet p r o v i e n t de l a d i s t r i b u t i o n énergétique des i o n s simples ( v o i r 131). En tenant compte de ce qu'une p a r t i e des ions simples d i s p a r a î t par formation de dimères ou de t r i m è r e s , on o b t i e n t : (1 eV)

0,36 e t F(li ( 5 eV)

0,95, ce q u i c o n d u i t à r 3 1 ( 1 eV)

0,34 e t r 3 ~ ( 5 eV)

2,54. Ces r é s u l t a t s mon- t r e n t q u ' à basse énergie d'émission on peut s a t t e n d r e à un courant en Cu+ p l u s i m - p o r t a n t qu'en Cu', mais que c e t e f f e t d i s p a r a î t à p l u s haute énergie; cetSe tendance e s t observée expérimentalement 141.

REFERENCES

/1/ YU M.L., Phys. Rev., 824, (1981), 5625.

/2/ JOYES P., J . Phys. C h e E Sol ., 32, (1971), 1269.

/3/ JOYES P., J . Phys., 44, (1983),721.

/4/ BLAISE G., Thèse d ' E G t (1972) Orsay.