Généralités sur l’implantation ionique

Généralités sur l’implantation ionique

Principe

L’implantation ionique est une technique maitrisée depuis les années 1950. Elle fut d’abord utilisée pour le dopage des semi-conducteurs afin de remplacer la diffusion thermique utilisée pour le dopage du silicium, puis dans les années 1970, des applications métallurgiques apparurent. L’un des premiers secteurs à s’intéresser à cette technique fut l’industrie nucléaire afin d’améliorer la résistance à la corrosion à haute température des alliages utilisées dans les centrales nucléaires. Ensuite l’implantation ionique a été utilisée pour augmenter les propriétés mécaniques (dureté, résistance à la fatigue) et tribologique (résistance à l’usure et coefficient de friction) en particulier pour l’industrie aéronautique . Depuis environ 25 ans, le secteur biomédical utilise aussi cette technique pour améliorer les propriétés tribologiques des prothèses orthopédiques tout en assurant une bonne biocompatibilité . On l’utilise aussi dans le domaine des polymères pour améliorer leurs propriétés mécanique et tribologiques ainsi que leurs propriétés électriques [3].

Ce procédé consiste, comme son nom l’indique, à implanter des ions dans un matériau cible. Cette implantation d’ions va conduire à des réarrangements structuraux et à la modification de la composition chimique qui vont engendrer des modifications des propriétés du matériau.

Les grandes étapes de l’implantation ionique sont :
o Génération des ions à partir d’un plasma ou d’une source d’ions.
o Extraction et accélération des ions : une différence de potentiel (de quelques kilovolts à plusieurs centaines de kilovolts) permet l’extraction des ions de la source et l’accélération des ions vers le matériau cible. La plupart des implanteurs possèdent des séparateurs de masses permettant la sélection de l’espèce à implanter.
o Implantation des ions : suivant leur énergie cinétique, les ions vont pénétrer dans le matériau cible. Ils vont perdre leur énergie progressivement puis s’arrêter dans la cible pour s’y implanter.

Phénomènes d’interaction entre les ions incidents et le matériau cible

Lorsqu’un ion incident pénètre dans un matériau cible, il perd de l’énergie suite à des collisions : des collisions élastiques (ions-atomes) et inélastiques (ionélectrons). Afin de quantifier cette perte d’énergie ainsi que la distance que parcours l’ion incident, la notion de pouvoir d’arrêt total -(dE/dx) a été défini. Le pouvoir d’arrêt total est égal à la somme du pouvoir d’arrêt électronique  (dE/dx)elec et du pouvoir d’arrêt nucléaire -(dE/dx)n.

Les collisions inélastiques prédominent à haute énergie d’implantation alors que les collisions élastiques ont préférentiellement lieu à basse énergie .

Lors du ralentissement électronique, l’ion perd son énergie par interaction inélastique avec les atomes ce qui provoque l’excitation voire l’ionisation des atomes du matériau cible. Lors de ces interactions, le projectile est ralenti comme par frottement, sa trajectoire est quasi rectiligne (diffusion aux petits angles) et l’énergie se dissipe sous forme de chaleur ou par des processus complexes de transfert d’énergie cinétique vers un atome cible. Dans un métal (sauf dans le cas de pouvoir d’arrêt très important, avec des ions lourds d’énergie de l’ordre du GeV) ce processus ne permet pas de créer des défauts car les excitations électroniques sont très rapidement délocalisées par les électrons de conduction.

A basse énergie, les interactions nucléaires prédominent. Le projectile interagit avec les atomes par choc élastique, dans ce cas il y a transfert direct d’énergie cinétique, le ralentissement est important et le projectile est fortement dévié de sa trajectoire . Pour déplacer durablement un atome de son site d’équilibre, il faut lui fournir une énergie supérieure à l’énergie seuil de déplacement (de 15 à 40 eV pour les métaux usuels). Un atome qui se déplace laisse derrière lui un site vacant, appelé lacune. L’atome déplacé peut alors se placer dans un site laissé vacant, mais si le réseau ne contient pas de défauts à l’endroit où il s’arrête il se placera dans un site du réseau normalement inoccupé, et formera ainsi un interstitiel. Si l’énergie cinétique de l’atome déplacé est supérieure à deux fois l’énergie seuil de déplacement, celui-ci pourra à son tour déplacer d’autres atomes et ainsi de suite. On parle alors de cascade de déplacements. Lorsque l’énergie transférée lors de la collision est inférieure à l’énergie seuil de déplacement, l’atome cible n’est pas éjecté de sa position d’équilibre. Il retransmet son énergie au réseau sous forme de phonons, en oscillant autour de sa position d’équilibre, l’énergie ainsi dissipée se retrouve sous forme d’énergie thermique.

Lors d’une implantation ionique, le phénomène de pulvérisation peut également jouer un rôle important : des atomes des premières couches atomiques du matériau cible sont éjectés vers le vide. Cette érosion de la surface peut induire un élargissement du profil d’implantation.

Le logiciel S.R.I.M 2008 [5] est un programme de simulation Monte-carlo qui calcule le ralentissement et la trajectoire d’ions énergétiques dans la matière. Il permet de déterminer la distribution des dommages d’irradiation ainsi que la distribution en profondeur des ions implantés. A titre d’exemple, le profil d’implantation des ions carbone de 100 keV dans du titane. Le profil est centré autour d’une profondeur Rp (projected Range). La dispersion autour de cette valeur est notée ∆Rp.

Effets de l’implantation ionique sur les matériaux

L’irradiation d’un matériau peut entrainer un certain nombre de modifications structurales par différents mécanismes liés à la production de défauts ponctuels et étendus ainsi qu’une diffusion accélérée des espèces conduisant à la formation de boucles de dislocations, de cavités et à la ségrégation d’espèces minoritaires. Tous ces mécanismes sont responsables des modifications observées sous irradiation. De plus, lors d’implantation ionique, le nombre d’ions implantés est suffisant pour induire la formation de précipités ou créer un désordre chimique. Il peut également se former des phases thermodynamiquement stables (par accélération de la diffusion) ainsi que des phases totalement nouvelles par des mécanismes de ségrégation de soluté. Les précipités initialement présents peuvent évidemment être modifiés par irradiation.

L’implantation ionique a beaucoup été utilisée pour simuler l’irradiation aux neutrons, afin d’étudier l’endommagement des matériaux de structures des centrales nucléaires, ou pour simuler l’irradiation subies dans l’espace pour des composants électroniques. Dans ce cas, on parle plutôt d’irradiation, les ions ayant en général une plus forte énergie (100 keV à quelques MeV), le but étant de créer des défauts et non d’introduire une espèce chimique sauf dans le cas d’expérience « dual-beam » où un gaz rare est implanté en parallèle de l’irradiation.

L’implantation ionique est en revanche la méthode reine dans l’industrie des semi-conducteurs pour introduire des dopants (implanteurs Varian : Varian Semiconductor Equipment Associates).

Mais les modifications dues à l’implantation ionique sur les matériaux ont su être rapidement exploitées pour leur apport dans d’autres domaines. En effet, de nombreuses propriétés mécaniques et physiques des matériaux ont été améliorées après implantation ionique. On retrouve notamment [6-7]
●Le durcissement
●L’augmentation de la résistance à la corrosion
●Une amélioration des propriétés tribologiques de la pièce traitée .

L’amélioration des propriétés tribologiques et le durcissement sontprincipalement liés à la formation de précipités (nitrure, carbure) ainsi qu’à l’effet des défauts créés par l’implantation ionique.

Avantages et limites 

L’implantation ionique présente de nombreux avantages :
●Conservation des propriétés du matériau cible sous la zone implantée
●Conservation des dimensions géométriques
●Création de nouveaux composés à température ambiante (nitrure de titane, carbure de titane par exemple)
●Procédé athermique
●Tous les matériaux peuvent être traités (mêmes les isolants en évacuant les charges ou en les neutralisant)
●Pas de problème d’adhérence car les précipités sont formés en profondeur dans le matériau .

Cependant, l’implantation ionique possède aussi des limitations
●L’effet de pulvérisation peut être néfaste lors de l’implantation à de fortes fluences
●La pièce doit être placée directement sous le faisceau ce qui rend difficile le traitement de certaines pièces à géométrie complexe (alésages,…)
●Les faibles épaisseurs traitées peuvent limiter l’utilisation de l’implantation ionique.
●L’implantation ionique ne peut se faire que dans une enceinte où règne un vide primaire au minimum.

Table des matières

INTRODUCTION
Contexte industriel de l’étude
Etat de l’art
1. Généralités sur l’implantation ionique
1.1 Principe
1.2 Phénomènes d’interaction entre les ions incidents et le matériau cible
1.3 Effets de l’implantation ionique sur les matériaux
1.4 Avantages et limites
2. Conséquences de l’implantation d’ions carbone et oxygène sur les propriétés mécaniques et la microstructure du Ti-6Al-4V
2.1 Evolution de la microstructure après implantation d’ions carbone
2.2 Evolution des propriétés mécaniques du Ti-6Al-4V après implantation d’ions carbone
2.3 Evolution de la microstructure après implantation d’ions oxygène
2.4 Evolution des propriétés mécaniques du Ti-6Al-4V après implantation d’ions oxygène
3. Bilan de l’étude bibliographique et enjeux de la thèse
4. Références bibliographiques
Elaboration du dispositif permettant de réaliser des faisceaux d’ions carbone multichargés
CONCLUSION

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