Simulation du Comportement sous Irradiation aux Ions Lourds du Nanocomposite Au-SiO2

À partir des années 1980, le développement des nanosciences [Dre86] a permis l’observation et la manipulation d’objets de taille nanométrique. Cela a ouvert la voie à une révolution technologique majeure. La fabrication, le contrôle et la compréhension des fonctionnalités des nano-objets est au cœur de la science du 21e siècle. L’objectif des nanosciences est de rechercher de nouvelles propriétés de la matière tout en réduisant les dimensions des dispositifs.

Parmi les différents nanomatériaux existants, nous nous intéressons aux nanocomposites, c’est-à-dire aux systèmes solides composés de plusieurs constituants dont l’un a au moins une dimension nanométrique. Un exemple représentatif en est donné par une couche mince contenant des nanoparticules (NPs). Mon travail s’est orienté vers les matériaux nanocomposites du type métal-silice, dont les propriétés sont conditionnées par la taille, la forme, la concentration, la distribution spatiale et l’environnement chimique des NPs enfouies. Ce type de nanocomposites est intéressant en raison de ses propriétés optiques particulières : plasmons, optique non linéaire, etc.

Aujourd’hui, il existe de nombreuses techniques permettant de fabriquer des nanocomposites [Aja03] en utilisant différentes approches soit du type bottom-up – citons la croissance des nanotubes de carbone par Chemical Vapor Deposition, ou la chimie colloïdale – soit du type top-down – comme la lithogravure qui inclut la photolithographie et l’électrolithographie pour l’électronique. Je me suis plus particulièrement intéressé aux techniques utilisant les faisceaux d’ions.

Le système expérimental est un nanocomposite constitué de NPs d’or enfouies dans une matrice de silice amorphe. Dans le premier type d’expériences, notre système a été irradié par des ions d’or de 4 MeV alors que dans le second type l’irradiation est effectuée avec des ions de krypton de 74 MeV.

Dans les expériences d’irradiation aux ions d’or de 4 MeV, les NPs d’or évoluent dans le régime de dépôt d’énergie nucléaire tandis que la silice évolue dans les deux régimes de dépôt d’énergie, nucléaire et électronique. L’irradiation crée des cascades de déplacements balistiques dans les NPs d’or et des défauts dans la silice. Ces effets d’irradiation amènent le système dans un état hors d’équilibre en favorisant la mise en solution des atomes d’or dans la matrice, c’est-à-dire la dissolution des NPs. Au contraire, les effets thermiques ramènent le système dans une configuration d’équilibre stable. Ils éliminent une partie des défauts créés par l’irradiation et facilitent la diffusion des atomes de soluté, ce qui conduit à la nucléation et à la croissance de précipités.

Il n’existe pas de modèle théorique capable de décrire l’évolution cinétique de ce nanocomposite sous irradiation aux ions d’or de 4 MeV, à toute température. J’ai alors choisi la simulation par Monte Carlo cinétique (KMC) parce que c’est l’approche la mieux adaptée à l’étude aux temps longs des nanostructures hors équilibre. Le code de KMC utilisé a été développé spécifiquement pour cette étude et cela a nécessité la construction d’un modèle basé sur la compétition entre les effets balistiques et les effets thermiques.

Les simulations de KMC ont permis de reproduire qualitativement les résultats expérimentaux à toute température. On retrouve en particulier le mûrissement d’Ostwald qui se produit à haute température (T>900 K) et la dissolution des NPs qui est observée à basse température (T<600 K). Cette première étude a ainsi validé le modèle développé pour le KMC. Les simulations suivantes ont donc pu être réalisées en toute confiance et jouer leur rôle prédictif.

L’utilisation de l’irradiation aux ions lourds comme outil de recherche est en quelque sorte emblématique de la méthodologie de travail de la physique entière. En effet, l’histoire de la physique est parsemée d’exemples d’évolutions que l’on peut décrire de la façon suivante. D’abord un nouveau phénomène physique est découvert. Suit alors une mobilisation intense de la communauté scientifique, dans le but de comprendre le nouveau phénomène. Quand ces études arrivent à maturité et se cristallisent dans une compréhension exhaustive du phénomène, celui-ci peut ensuite devenir lui-même un outil de recherche pour étudier d’autres phénomènes physiques dont l’extension peut transcender largement le domaine initial. L’utilisation que l’on fait de nos jours de l’irradiation aux ions lourds au GANIL (Grand Accélérateur National d’Ion Lourds) ou aux électrons au LSI (Laboratoire des Solides Irradiés), illustre parfaitement une telle évolution. Elle a commencé par la découverte de l’ionisation de la matière par des particules chargées. Ce sont leurs effets sur des plaques ou émulsions photographiques qui ont permis de découvrir ces rayonnements ionisants ainsi que leurs sources naturelles, par exemple, dans les cas du rayonnement cosmique et de la radioactivité. Aujourd’hui, on ne se contente plus de ces sources naturelles et ces particules sont produites artificiellement et de façon mieux maîtrisée dans le but de les utiliser comme outil de recherche ou d’en tirer profit dans une application. Comme exemples de domaines d’application de l’irradiation on peut citer la microélectronique (implantation d’ions) ou la médecine (traitement des cancers).

En particulier, l’irradiation aux ions lourds peut être utilisée pour contrôler les propriétés des matériaux, par exemple des structures de taille nanométrique qui ont de nombreuses applications. Parmi les nanomatériaux existants, les nanocomposites constitués de nanoparticules enfouies dans une matrice hôte de silice [Pav06] ont des propriétés optiques et électroniques intéressantes [Pav00, Khr01, Cat09]. En raison de l’importance de ce type de matériaux, je vais décrire dans ce chapitre l’état de l’art de leur irradiation par des ions lourds.

Les collisions élastiques entre un ion et un matériau sont caractérisées par la conservation à la fois de l’énergie cinétique totale et de la quantité de mouvement du système. Elles sont dominantes dans le régime de basse énergie de l’ion, v << v0.

L’ion se déplace à travers l’échantillon et subit des collisions avec des atomes de la cible qui le dévient de sa direction initiale. Ces collisions sont traitées comme des chocs élastiques entre deux masses ponctuelles qui peuvent être décrits par les lois de la mécanique classique. Elles sont également appelées collisions nucléaires. En réalité, l’ion incident et les atomes de la cible sont des particules chargées. Ils interagissent à travers le potentiel coulombien correspondant à la répulsion des deux noyaux à laquelle se superpose l’effet d’écran des électrons. Si la distance d’approche des deux noyaux est faible par rapport au rayon d’écran de Bohr, r << a, la répulsion coulombienne des noyaux domine l’interaction. Si au contraire r >> a, l’atome de la cible est ressenti par l’ion comme un atome neutre, et l’interaction est celle se produisant entre deux sphères dures. Dans le cas intermédiaire, r ~ a, le traitement de la collision est plus complexe, il faut alors prendre en compte l’effet d’écran.

Table des matières

I. Introduction générale
II. Irradiation aux ions lourds
II.A. Interaction ion-matériau
II.A.1. Collisions élastiques
II.A.2. Collisions inélastiques
II.A.3. Pouvoir d’arrêt
II.B. Comportement des nanostructures enfouies sous irradiation dans le régime de dépôt d’énergie nucléaire
II.B.1. Techniques de fabrication par faisceaux d’ions
II.B.2. Les driven systems
II.B.3. Coefficient de diffusion sous irradiation
II.B.4. Évolution cinétique des NPs sous irradiation de 4 MeV
II.B.5. Dissolution des NPs sous irradiation de 4 MeV
II.C. Sculpture de nano-objets enfouis par faisceau d’ions dans le régime de dépôt d’énergie électronique
II.C.1. Histoire de la mise en forme de NPs
II.C.2. Résultats expérimentaux de la mise en forme de NPs
II.C.3. Vers une description phénoménologique de la mise en forme
III. Méthodes
III.A. Simulation par Monte Carlo Cinétique
III.A.1. Méthode de Monte Carlo : principe général
III.A.2. Méthode de Monte Carlo Metropolis
III.A.3. Méthode de Monte Carlo cinétique
III.A.4. Modèle pour étudier Au-Si02 sous irradiation
III.B. Simulation par Dynamique Moléculaire
III.B.1. Principe général
III.B.2. Énergie potentielle d’interaction
III.B.3. Étude de la dilatation de l’or
III.C. Théorie analytique de Frost-Russell
IV. Conclusion générale

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