Centre Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan

1. Principes

La RBS (pour Rutherford Backscaterring Spectrometry) repose sur le modèle Coulombien de diffusion des ions développé par Ernest Rutherford en 1911. Le terme de rétrodiffusion correspond à la diffusion élastique de l’ion dans la même direction que celle du faisceau incident. Effectuer une mesure RBS consiste donc à détecter les particules chargées qui ont subi une rétrodiffusion par les noyaux constitutifs de l’échantillon. Selon la masse et l’énergie de l’ion utilisé, le modèle classique décrit par Rutherford ne suffit parfois pas à décrire correctement les processus mis en jeu. Bien que l’acronyme RBS est toujours utilisé dans ce cas-là, la diffusion est qualifiée de non-Rutherford.

 

Principe de la rétrodiffusion.

 

Il existe une relation de proportionnalité simple entre l’énergie de l’ion incident et celui de l’ion retrodiffusé en raison du principe de conservation de l’énergie. La constante de proportionnalité entre l’énergie initiale et l’énergie finale est appelée facteur cinématique et dépend :

# de la masse de l’ion

# de l’angle de détection θ

# de la masse du noyau (centre diffusant)

La dépendance du facteur cinématique à la masse du centre diffusant traduit la possibilité de détecter et séparer les éléments chimiques les uns des autres en fonction de leur masse atomique.

 

Diffusion Rutherford

Diffusion non-Rutherford

Exemple de spectres obtenus pour des conditions de faisceau différentes (Ruth :He⁺, 2 MeV, non-Ruth : H⁺, 2,5 MeV) pour un dépôt de Ta₂O₅ sur un substrat de silicium.

 

2. Informations obtenues

2.1. Utilisation de la perte d’énergie

Les échantillons analysés n’ayant pas l’épaisseur d’une couche atomique, l’ion parcours une certaine distance dans l’échantillon avant d’être retrodiffusé puis détecté. Ceci à pour conséquence la perte d’énergie de l’ion due aux propriétés chimique de l’échantillon. Cette perte d’énergie fournit une mesure directe de l’épaisseur de matière sondée par le faisceau d’ion, que ce soit l’épaisseur des différentes strates de composition différente constituant un échantillon voire même, pour un échantillon suffisamment fin par rapport aux caractéristiques du faisceau utilisé, son épaisseur totale. De plus, selon la profondeur à laquelle est le centre diffusant, la perte d’énergie ne sera pas la même. La RBS permet donc de donner, en complément de la quantification d’un élément, son profil de concentration en profondeur.

 

Illustration de la perte d’énergie

 

2.2. Sensibilité de l’analyse

La quantification et la détermination des profils de concentration en profondeur s’effectue avec une bonne sensibilité pour les éléments de grandes masses atomiques et une bonne résolution en masse pour les éléments de faibles masses atomiques. Les points faibles de la RBS viennent donc précisément de ses caractéristiques inhérentes : l’incapacité à détecter les éléments légers et à séparer en masse les éléments lourds. Pour palier à ces points faibles, il est nécessaire de s’écarter des conditions d’analyses classiques et d’exploiter la partie non-Rutherford de la diffusion.

2.3. Canalisation des ions incidents

Dans le cas d’un monocristal, la direction du faisceau incident et l’orientation des plans cristallins peuvent coïncider ce qui provoque la chute du rendement d’émission des ions rétrodiffusés. En effet, un grand nombre d’ions pénètrent dans la cible sans rencontrer d’atomes et "voyagent" bien au-delà de leur parcours moyen théorique entre les plans atomiques. Tout atome décalé de sa position d’origine dans le réseau cristallin rompt cette situation et contribue à la rétrodiffusion.

 

Principe de la canalisation.

 

La RBS canalisée se révèle être un outil précieux pour localiser la position d’une impureté dans un monocristal ou plus généralement pour étudier toute modification structurale subie par une structure cristalline lors d’une sollicitation physico-chimique (thermique, mécanique, irradiation...)

 

3. Systèmes de détection disponibles à AIFIRA

La RBS permet d’étudier un large éventail de matériaux quelque soit leur nature ou leurs dimensions. C’est une technique relativement aisée à mettre en place en raison du peu d’encombrement du détecteur. Elle peut être tout aussi bien effectuée sur la ligne du microfaisceau, du macrofaisceau ou du faisceau extrait.

Exemples de système de détection RBS à AIFIRA.

Dispositif pour le macrofaisceau

Dispositif pour le microfaisceau