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SEMINAIRE DE L'IPN
Des ions atomiques aux nanoparticules de haute énergie pour sonder la surface à l’échelle sub-micrométrique
Depuis les premières expériences réalisées à la fin des années 1970 par R.D. Macfarlane et T.D. Torgerson avec les produits de fission du Californium 252Cf, une grande quantité de données ont été obtenues grâce à la disponibilité de faisceaux d’ions atomiques de haute énergie fournis par les accélérateurs. Leurs utilisations ont permis de varier la densité d’énergie déposée près de la surface solide en ajustant la vitesse et l’état de charge de ces particules. Je vais commencer mon exposé en présentant les résultats d’émission ionique secondaire obtenus avec des ions atomiques de haute énergie. Ces études montrent que la densité d’énergie déposée dans les premières couches du solide est le paramètre principal.

L’amélioration du rendement d’émission ionique secondaire nécessite une augmentation du dépôt de la densité d’énergie, donc l’utilisation d’agrégats comme projectiles. Il y a plus de vingt ans, l’intérêt fondamental des agrégats comme sonde de la surface a été établi et en quelques années nous avons eu une série d’équipements, de la source d’ions aux accélérateurs permettant de couvrir une gamme étendues en énergie et en masse, du keV aux MeV et d’agrégats de quelques atomes de carbone ou d’or aux molécules comme les fullerènes et jusqu’aux nanoparticules d’or de plusieurs centaines d’atomes. L’objet de la seconde partie de mon exposé sera de synthétiser l’information qui peut être extraite à partir de ce large domaine d’énergie et de projectiles. Je terminerai cette partie de mon exposé sur les agrégats massifs de quelques centaines à milliers atomes avec une comparaison des avantages de ces ions par rapport aux projectiles « traditionnelles », que sont les faisceaux d’agrégats de bismuth ou d’or et les fullerènes.

La troisième partie de mon exposé se concentrera sur les nanoparticules. A la suite des études précédentes, nous avons proposé le projet de Pégase(2) qui a été accepté par la NSF (Grant CHE-0750377), il a été construit à l’IPNO et installées au TAMU. Ce projet permet l’accélération de nanoparticules et d’agrégats produits par une source de LMIS (Liquid Metal Ion Source) avec une plateforme de 130 kV. L’instrument Pégase fonctionne avec succès depuis six ans. Les résultats présentés pendant cet exposé démontrent l’intérêt de cette nouvelle sonde pour l’analyse biologique et également de surface nano-structurée. Le projet Pégase a permis de valider la conception d’un nouveau projet plus ambitieux Andromède qui a été lauréat à l’appel national pour des propositions d’EQUIPEX (Équipement d’Excellence EQUIPEX, ANR-10-EQPX-23.) qui vient d’être mis en service à SuperACO. Le but d’Andromède est de créer un nouvel instrument pour l’analyse par la spectrométrie de masse de nano-domaines et de micro-objets déposés sur une surface avec une résolution spatiale micrométrique(3), ce dispositif est développé dans un cadre pluridisciplinaire de l’Université Paris Sud en collaboration avec l’entreprise OrsayPhysics et le groupe du TAMU. Cet instrument permettra aussi l’analyse de surface à la pression ambiante et donc l’analyse de spectrométrie de masse des surfaces biologiques hydratées natives. L’information moléculaire (la masse et structure) sera obtenue à partir de l’impact d’une nanoparticule accélérée dans le domaine de 1-4 MeV par un accélérateur électrostatique de type Van de Graaff. La mise en service de l’accélérateur de type Van de Graaff construit par NEC (National Electrostatique Corporation, Middleton, Wisconsin USA) a été réalisée. Une tension maximale de 4,150 MV a été atteinte avec une pression de 5,5 bars de SF6. L’accélérateur est équipé de deux sources d’ions interchangeables. Il y a une source ECR Microgan ™ fournie par Pantechnik dont l’avantage réside dans le réglage du puits magnétique, qui permet de produire des ions atomiques multichargés A8+ par exemple (avec une configuration avec puits magnétique) ou des ions moléculaires intacts, comme le fullerène C603+ (sans minimum B). OrsayPhysics Tescan Holding, partenaire du projet Andromede, a développé la colonne ionique NAPIS (NanoParticle Ion Source) basée sur une source LMIS (Liquid Metal ion Source) qui fournit des faisceaux d’ions atomiques, des agrégats et des nanoparticules constituées de plusieurs centaines d’atomes. Le projet sera décrit avec les résultats des différentes étapes et les objectifs scientifiques envisagés(4).

Il faut noter que cet accélérateur dédié à l’analyse de surface a été utilisé intensément dans sa première phase de mise en route et tests, pour les études de nucléosynthèses à basse énergie : le projet Stella porté par S. Courtin de l’IPHC qui est installé depuis septembre 2016 dont je présenterai les grandes lignes.
Je finirai par quelques mots sur le projet IGLEX ou sera placé Andromède avec ThomX le second Equipex de la vallée.

 
1 Massive Clusters : Secondary emission from qkeV to qMeV. New emission processes ? New SIMS Probe ? S. Della-Negra, J. Depauw, C. Guillermier and E.A. Schweikert, Surf. Interface Anal.,2011, 43, 62-65.
2 The Pegase project, a new solid surface probe : focussed massive cluster ion beams, S. Della-Negra, J. Arianer, J. Depauw, S.V. Verkhoturov and E.A. Schweikert, Surf.Interface Anal.,2011, 43, 66-69.
3Single Impacts of C60 on Solids : Emission of Electrons, Ions and Prospects for Surface Mapping. S. Verkhoturov, M. Eller, R. Rickman, S. Della-Negra, E.A. Schweikert. J. Phys. Chem. C, 2010, 114 (12), pp 5637–5644
SIMS instrumentation and methodology for mapping of co-localized molecules M. J. Eller, S. V. Verkhoturov, S. Della-Negra, and E. A. Schweikert, Rev. Sci. Instrum. 84, 103706 (2013) 
4 Andromede Project : Surface Analysis and Modification with Probes from Hydrogen to Nano-Particles in the MeV Energy Range, M.J. Eller, E. Cottereau, B. Rasser, E. Verzeroli, B. Agnus, G.Gaubert, X. Donzel, A. Delobbe, S. Della-Negra, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B : Beam Interactions with Materials and Atoms, (2015) Volume 365, Part A, Pages 367-370
http://ipnwww.in2p3.fr/-ANDROMEDE,384- This work has benefited from an “Equipement d’Excellence” grant managed by the Agence Nationale de la Recherche (ANR-10-EQPX-23)
07/04/2017 à 11:00
IPN Orsay, salle de réunion NESTER, Bâtiment 100

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Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
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