Production des ions négatifs en surface de graphite dans un plasma d'hydrogène et de deutérium

Conclusion

? On se met à un potentiel inférieur à 220V pour une étude qualitative de la forme de la FDI.

? Pour une étude quantitative (mesure de l'intensité), on se remet sur la plage 250-350V.

4.5.3 Les fonctions de distribution des ions négatifs :

Sur ce qui suit, nous présentons des exemples des intensités relatives des ions négatifs en fonction de leurs énergies (FDI). Trois cas sont illustrés pour un plasma d'hydrogène :

- 69 -

Chapitre IV Mesures expérimentales

1. Le graphe 4.23 pour une domination des ions , (pression de 0.2Pa et une
puissance de 300W) et un potentiel échantillon Vs=0V.

^{8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000}

⁰

^E0

^E3

^{0.2Pa 300W}

^{vp=58 V}

^{vs=0 V}

^{vf=34.11 V}

^{60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170}

^{Energy (eV)}

^E2

Fig 4.23 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie
(domination , Vs=0V)

2. Les graphes 4.24 et 4.25 pour une domination des ions (pression de 2Pa et une
puissance de 100W), respectivement pour un potentiel échantillon V_s=0V et V_s=-20V.

^{2500 2000 1500 1000 500}

⁰

			E3

^E0

E2

^{2Pa 100W}

^{vp=40 V}

^{vf=8.18 V}

^{vs=0 V}

^{40 50 60 70 80 90 100}

^{Energy (eV)}

_sm

Fig 4.24 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie

(domination , V_s=0V)

Chapitre IV Mesures expérimentales

⁴⁰⁰⁰

²⁰⁰⁰

⁰

^{40 50 60 70 80 90 100 110 120
E0 E3 E2 2Pa 100W =40 V vf=8.18 V =-20 V}

⁸⁰⁰⁰

⁶⁰⁰⁰

- 70 -

^{Energy (eV)}

Fig 4.25 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie

(domination , V_s=20V)

^vp

^vs

3. La dernière figure (4.26) montre le cas d'une domination des ions dans un plasma
Hélium-Hydrogène (pression 0.05Pa H2 et 3Pa He, puissance de 1kW, en présence d'un champ magnétique de 24Gauss) et un potentiel échantillon de -40V.

^{1400 1200 1000 800 600 400 200}

⁰

^E0

			^E2	^E1	^0.05Pa d'H2+3Pa d'He 1KW 0.6A
		^E3

^{vp=9 V}

^{vs=-40 V}

^{40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170}

r s

_sm

^{Energy (eV)}

ey _{dr y}

y l

_las

Fig 4.26 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie

(domination , V_s= -40V)

y

Chapitre IV Mesures expérimentales

- 71 -

L'échelle en énergie correspond à l'énergie qu'ont les ions négatifs lorsqu'ils rentrent dans le plasma.

H + + _surf ? ?? H ?

Pour tous les cas, nous observons un pic centré sur une valeur légèrement supérieure à e(Vp-Vs) (notée E0 sur les graphes). Ce pic est légèrement dégradé vers les plus basses énergies et s'étale largement vers les plus hautes énergies.

? ??

4.5.4 Interprétation :

Les ions positifs, en équilibre thermique avec le plasma, sont attirés par la polarisation

négative de l'échantillon jusqu'à la collision en incidence normale avec une énergie

E0= e(V_p-V_s)

V_p est le potentiel plasma

V_s le potentiel échantillon

De même, un ion négatif créé au repos en surface sera accéléré vers le plasma et atteindra l'énergie E0 = e(Vp-Vs). Normalement, cette valeur doit correspondre avec le pic principal de la distribution énergétique des ions négatifs, seulement on constate un décalage vers la droite, ce qui prouve que la majorité des ions négatifs ne sont pas créés au repos.

? ??

Pour comprendre la forme de la FDI, il nous faut évoquer les mécanismes possibles de création d'ions négatifs en surface.

D'après la littérature, il y a différents mécanismes de génération des ions négatifs par la capture de deux électrons [15bide] par un ion positif, la pulvérisation d'un atome d'hydrogène adsorbé sous forme ion négatif [23bide] et la simple capture électronique par un neutre énergétique [24bide].

Ces mécanismes déjà cités en introduction (1.2 à 1.4) sont rappelés ci-dessous :

_x

o La capture de deux électrons par un ion positif incident :

+ ... (4.4)

o La simple capture d'un électron par un atome énergétique incident

H + surf H- + ... (4.5)

o La pulvérisation d'un atome adsorbé sous forme d'un ion négatif :

H+ x + Hads H- + ... (4.7)

Chapitre IV Mesures expérimentales

- 72 -

Ces différentes interactions se caractérisent par leurs divers mécanismes de transfert d'énergie. Exemple : Lorsque l'on neutralise un ion, il y a libération de l'énergie (énergie

d'ionisation, elle est 13.6eV pour le cas de ). De même pour extraire un électron (travail

de sortie) et création d'un ion négatif (énergie d'affinité électronique). Ainsi,

- Si un ion positif capture deux électrons en même temps, le phénomène libère de l'énergie, il est exothermique. S'il commence par se neutraliser, il libère l'énergie d'ionisation et la transmets au matériau, le processus est exothermique.

Ensuite, quand il doit capturer un autre électron il faut qu'il fournisse de l'énergie (le travail de sortie), le processus est endothermique (l'énergie récupérée - affinité électronique - est plus faible que le travail de sortie).

Donc qu'un d'un point de vue énergétique, les deux processus (double capture simultanée et deux captures non simultanées) sont différents.

- Si la capture de deux électrons n'est pas simultanée, il faut que l'ion positif incident fournisse de l'énergie pour arracher l'électron au graphite. C'est quelque chose dont on ne tient pas compte dans notre analyse énergétique puisqu'on dit qu'au maximum l'ion positif incident transmet E0 (En réalité il transmet E0 - Ws travail de sortie...).

La simple capture n'est possible que si la particule incidente possède une énergie plus grande que le travail de sortie du graphite. Dans le plasma, la plupart des atomes d'hydrogène sont thermalisés et sont à température ambiante. Ils n'ont donc pas assez d'énergie pour réaliser un processus de simple capture en surface.

Par contre des atomes H chauds sont créés lors de la dissociation de H2 par impact électronique. Cependant, leur énergie maximale est en dessous du travail de sortie du graphite, la simple capture ne peut donc avoir lieu.

Des neutres (H) rapides peuvent aussi être produits dans la gaine par échange de charge. Cependant, sous basse pression (qui est notre cas), les gaines sont essentiellement non collisionnelles et le flux des neutres rapides créés par échange de charge est négligeable.

Quelque soit le type d'ions positifs dominant, il est neutralisé et dissocié préalablement à la

collision à la surface. Chaque type d'ions , et possède, comme nous l'avons vu une

énergie E0 due à la différence de potentiel V_p ( potentiel plasma) et V_s (potentiel échantillon).

Chapitre IV Mesures expérimentales

- 73 -

Seulement au moment de la dissociation, elle sera partagée uniformément en fonction du

nombre des nucléons du type d'ions : 1 pour , 2 pour et enfin 3 pour .

Exemple pour , il arrive à la surface avec l'énergie de E0, en négligeant les pertes sur la

surface, il se dissociera en 3 nucléons, donc chacun acquerra une énergie maximale égale à E0/3, qu'on ajoutera à celle qu'il va gagner en retournant au plasma (soit e=Vs - Vp), soit égal à E0 . Ainsi, l'énergie maximale sera :

pour : (4.8)

Pour l'ion : (4.9)

Et pour un proton (4.10).

En figure ci-dessus (4.23 à 4.26), ces différentes énergies et sont

mentionnées et donnent clairement une indication sur certains types de mécanisme de création des ions négatifs, ainsi globalement sur la forme de la FDI, on pourra dire:

? la présence de certains ions d'énergie inférieure à Eo correspond aux ions négatifs produits en surface et qui ont subi des collisions avant d'atteindre le spectromètre. Ce qui, comme stipulé antérieurement, si la majorité des ions négatifs possèdent une énergie supérieure à _E0, montrent qu'ils ne sont pas créés au repos.

? Dans le cas de la figure 4.23, où domine, l'énergie maximale des ions négatifs

(queue de la distribution) est proche de , ce qui prouve que le mécanisme de capture

de deux électrons par un ion positif incident est au moins responsable de la queue de la fonction de distribution des ions négatifs.

? Pour le cas de la dominance par , figures 4.24 et 4.25, on a vu que l'énergie

maximale est égale à, et que la queue de la fonction de distribution atteint cette

valeur : Ce qui prouve encore une fois que c'est le mécanisme de capture qui en est responsable.

_E1

? Dans le dernier cas (figure 4.26), la queue de la distribution arrive jusqu'à la valeur

, cette même valeur d'énergie maximale acquise par un ion , et on est dans des

conditions de dominance des . Ce qui prouve que c'est bien une conséquence du

mécanisme de capture.

Chapitre IV Mesures expérimentales

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Les figures suivantes sont des exemples des intensités relatives des ions négatifs en fonction de leurs énergies (FDI), dans le cas d'un plasma pur de deutérium, pour différentes conditions de plasma, et polarisation de l'échantillon :

^{5000 4000 3000 2000 1000}

⁰

E2 ^{2Pa 100W}

^{vp=28 V}

^{vf=7.18 V}

^{vs=-20 V}

^{40 50 60 70 80 90 100 110 120}

^{Energy (eV)}

E0

E3

Fig 4.27 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie

(Condition de domination de et V_s= -20V)

^{2500 2000 1500 1000}

⁵⁰⁰

⁰

			E0 ^E3		^E2	^0.2Pa 300W

^{vp=70 V}

^{vf=35.33 V}

^{vs=0 V}

^{70 80 90 100 110 120 130 140}

^{Energy (eV)}

aium

_itemuu

_{eriu lp}

Fig 4.28 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie

e

(Condition de domination de et V_s= -20V)

Chapitre IV Mesures expérimentales

- 75 -

On remarque pour ce type de plasma (deutérium pur), que contrairement à celui de

l'hydrogène, la queue de la FDI ne s'étend pas jusqu'à (cas de domination par , figure

4.27) ou jusqu'à (cas de domination par , figure 4.28), l'énergie maximale s'arrête

avant d'atteindre la valeur attendue (respectivement ou ).

L'hypothèse émise pour expliquer ce paradoxe est la masse plus lourde du deutérium (en comparaison à (l'hydrogène). Et, comme le transfert d'énergie de l'ion incident vers la surface dépend du rapport des masses entre l'ion incident et les atomes du matériau (carbone), ce dernier sera plus favorable pour ce cas (plasma au deutérium sur le carbone) que pour le cas précédent (hydrogène sur carbone), ce qui conduit à un meilleur transfert d'énergie vers la surface pour le cas du deutérium.

Le mécanisme de capture de deux électrons est responsable au moins de la queue de la distribution ionique. Cependant nous ne savons pas s'il explique la totalité de la distribution ou seulement une partie.

Le mécanisme de pulvérisation d'un atome adsorbé sous forme d'ion négatif pourrait également rentrer en jeu dans la création des ions négatifs. Ce mécanisme dépend du taux de couverture de la surface par les atomes d'hydrogène. Pour annuler ce taux de couverture, nous avons chauffé l'échantillon jusqu'à 750°C. En effet, à cette température, tout l'hydrogène sera désorbé. La dernière manipulation (figure 4.29 et 4.30) vérifie bien la clairvoyance de cet effet de chauffage.

Les FDI ainsi mesurées à deux températures d'échantillons différentes sont représentées ci-dessous : en noir à 30°c (cas de présence d'hydrogène) et en rouge à 750°c (cas d'absence de l'hydrogène en surface par pulvérisation). Les conditions de

plasma retenues sont : 0.4Pa de pression et 100W de puissance injectée (cas domination )

et un potentiel échantillon nul pour 4.29 et potentiel échantillon de -20V pour la figure 4.30.

On constate que pour les deux cas, la queue de la FDI est toujours présente et

qu'elle tend vers alors que le pic principal disparaît.

Ceci montre clairement que le pic principal de la FDI n'est pas du à la capture d'électrons par un ion incident (En effet ce mécanisme est peu dépendant de la température). Contrairement à la pulvérisation qui elle, dépend fortement de la température.

Chapitre IV Mesures expérimentales

^E0

= ^{56 V}

^Vs = ^{0 V}

= ^{30 °C}

^{0.4 Pa H2, 100W}

^Ts = ^{750 °C}

^E3

^E2

²⁰⁰⁰

¹⁵⁰⁰

¹⁰⁰⁰

⁵⁰⁰

⁰

^{50 60 70 80 90}

- 76 -

^{Energie des} ions ^{H- (eV)}

Fig 4.29 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie pour deux températures de chauffage d'échantillon

(Condition de domination de et V_s= 0V)

^{1000 800 600 400 200}

⁰

		^Vp ^T ^s
	^E0	^0.4 Pa H2, 100W	^E3

^Vp = ^{56 V}

^Vs = ^{-20 V}

^E2

^Ts = ^{30 °C}

^Ts = ^{750 °C}

^{70 80 90 100 110 120}

^{Energie des} ions ^{H- (eV)}

Fig 4.30 Intensité relative des ions négatifs en fonction de l'énergie pour deux températures de chauffage d'échantillon

(Condition de domination de et V_s= -20V)