Emission d'électrons Auger par bombardement ionique des métaux légers

• Main Author: Viaris de Lesegno, Patrick
• Language: FRE
• Published: Université Paris Sud - Paris XI 1972
• Subjects: [PHYS:COND:CM_MS] Physics/Condensed Matter/Materials Science; Emission Auger; bombardement ionique; Métaux légers; Mg; Al; Si; Be
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00851914; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/85/19/14/PDF/These3CViaris.pdf

C'est en 1925 qu'Auger a mis en évidence le mode particulier de désexcitation non radiative auquel son nom est attaché. A la suite d'une excitation suffisamment énergique, un atome peut être porté dans un état excité comportant un trou sur un niveau électronique interne d'énergie E0. Au bout d'un temps assez court (de 1'ordre de 10-14s), une désexcitation se produit par transition d'un électron d'un niveau d'énergie supérieure E1 sur le niveau profond. L'énergie ainsi libérée peut provoquer 1'émission d'un photon X ou gamma d'énergie hv =E0-E1; c'est là le mode le plus fréquent de désexcitation des atomes lourds dont le rendement de fluorescence est assez élevé. Mais il peut aussi se faire qu'un second électron placé sur un niveau d'énergie E2 acquière l'énergie libérée par la désexcitation et soit ainsi éjecté de l'atome avec une énergie cinétique égale à E0-E1-E2. Ce dernier mode de désexcitation, dit non radiatif, est le plus probable pour les atomes d'éléments légers dont le rendement de fluorescence est faible. La mesure de l'énergie de l'électron éjecté permet d'identifier la nature de l'atome émetteur et constitue donc une analyse qualitative. Selon l'usage courant, nous réserverons dans ce mémoire le nom d'effet Auger au cas où le trou initial se situe sur un niveau interne dénommant auto-ionisation la désexcitation non radiative dans laquelle le trou initial se trouve sur un niveau externe. Différentes méthodes peuvent etre utilisées pour former le trou initial. Historiquement, c'est par irradiation de l'argon avec des photons X que 1'effet Auger a été mis en évidence, mais pour atteindre les niveaux les plus profonds sur les atomes lourds, il faut utiliser des rayons X très durs, voire des photons gamma. Bien entendu, lors de l'irradiation X, des photoélectrons sont émis en même temps que les électrons Auger. L'étude fine du spectre des électrons ainsi émis est à la base du procédé d'analyse superficielle développé par Siegbahn et al. et connu sous le nom d'ESCA. Le bombardement électronique permet aussi la formation de trous dans les niveaux profonds et donc l'émission d'électrons Auger. C'est ainsi que Harris a proposé et expérimenté une autre méthode d'analyse superficielle appelée "Spectroscopie Auger" et qui est l'objet, depuis quelques années, d'un développement très rapide, dans le dessein, en particulier, de rendre l'analyse quantitative. Enfin, lors du bombardement par des ions d'une énergie assez élevée sont aussi émis, (quelques kiloélectron-volts), des électrons Auger à côté de rayons X, comme résultat de la création de trous sur un niveau profond des atomes de la cible. L'effet a d'abord été mis en évidence sur les gaz, puis sur les métaux légers. Plus récemment, une technique plus raffinée a permis d'observer les électrons Auger émis par bombardement ionique des métaux de transition de la première série. Le mécanisme de la formation du trou profond par bombardement ionique a été étudié théoriquement par Joyes dans le cas d'atomes à l'intérieur d'un métal. Lors de la collision, un niveau moléculaire, issu de deux niveaux atomiques liés, voit son énergie croître jusqu'à atteindre le continuum des états libres au-dessus du niveau de Fermi. Un électron peut ainsi passer sur un état non occupé de la bande de conduction et un trou peut alors subsister sur l'un des atomes après séparation. Le temps de vie de l'état excité comportant un trou sur le niveau 2p d'un atome d'aluminium dans le métal a été calculé et comparé au temps moyen de sortie d'une particule déplacée. Il ressort du calcul que le temps de désexcitation est suffisamment long pour que la particule déplacée puisse éventuellement sortir du métal, généralement neutre, (la vitesse des électrons de conduction voisins du niveau de Fermi est en effet très supérieure à la vitesse moyenne d'éloignement des particules éjectées) en conservant le trou interne. L'effet Auger peut alors avoir lieu à l'extérieur du métal avec formation d'un ion secondaire. Bien entendu, la majeure partie des électrons Auger sont émis alors que la particule est à l'intérieur du métal. Le libre parcours moyen de ces électrons n'excédant pas quelques couches atomiques, les électrons sont ralentis avant leur sortie et participent à l'émission électronique secondaire de la cible, selon la théorie largement admise de Parilis et Kishinevskii.\ La question à laquelle nous avons essayé de donner une réponse était, entre autres, de rechercher la proportion des électrons Auger issus de désexcitations ayant eu lieu à l'extérieur du métal et qui sont les seules à produire des ions secondaires cinétiques, alors que la majeure partie des électrons Auger ont vraisemblablement pour origine des désexcitations survenues à l'intérieur du métal et au voisinage immédiat de la surface : ces désexcitations ne conduisent pas une ionisation de particule en mouvement. L'étude de la largeur des pics doit permettre de répondre à cette question puisque les électrons émis à l'extérieur du métal formeront un pic fin dont la largeur peut être calculée à partir du temps de vie de l'état excité (10-14s). La largeur de ce pic est alors égale à DE=h/2piDt=10-20J, c'est-à-dire qu'elle est de l'ordre de 1/10 d'électron-Volt. La répartition angulaire des électrons doit aussi permettre de séparer les contributions des désexcitations internes et des désexcitations externes, car les électrons émis à l'extérieur du métal doivent présenter une distribution isotrope alors que ceux qui viennent de l'intérieur doivent suivre une loi proche de la loi en cosinus. D'autre part, seuls les électrons provenant de désexcitations internes peuvent ressentir l'influence des symétries du réseau lors de l'émission Auger à partir d'un monocristal. Nous avons donc construit, par modification d'un appareil existant déjà au laboratoire, un analyseur électronique nous permettant étudier l'émission électronique secondaire sous bombardement ionique dans le plus grand domaine angulaire possible (angle d'émission et angle azimutal) et pour des énergies allant jusqu'à quelques centaines d'électron-Volts : sur les métaux légers, l'énergie des électrons Auger recueillis sous bombardement ionique varie en effet dans le domaine de 40 à 120 eV.