Thèse soutenue

Nouvelle génération de détecteurs d'ions sensible en position et en temps pour le développement de la sonde atomique tomographique
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Auteur / Autrice : Christian Bacchi
Direction : François Vurpillot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 02/10/2020
Etablissement(s) : Normandie
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Vurpillot, Oana Cojocaru-Mirédin, Philippe Roncin, Benoit Gervais, Hermann Rothard, Thomas F. Kelly
Rapporteurs / Rapporteuses : Oana Cojocaru-Mirédin, Philippe Roncin

Résumé

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La Sonde Atomique Tomographique (SAT) est un outil d’analyse qui permet de déterminer la structure et la composition locale de matériaux à l’échelle atomique. Afin d’obtenir ce type d’analyse, la SAT utilise une technique destructive appelée "évaporation par effet de champ", permettant d’extraire et de collecter un certain volume d’atomes provenant d’un échantillon de matériau. Pour ce faire, il est nécessaire, dans un premier temps, d’usiner le matériau à analyser sous la forme d’une pointe très fine. Puis, dans un second temps, d’appliquer un potentiel électrique très élevé au niveau de cette pointe, afin de d’ioniser et expulser les atomes de surface. Ces atomes de surface sont alors projetés vers un détecteursensible en position, couche après couche, afin d’obtenir une tomographie à l’échelle atomique du volume analysé. Afin d’être chimiquement identifié, chaque atome détecté est associé à une mesure de temps de vol, qui s’effectue entre une impulsion électrique (ou laser) appliqué sur la pointe, et un signal d’arrivé sur le détecteur. Connaissant le potentiel électrique total appliqué à la pointe, ainsi que la vitesse des ions projetés vers le détecteur, il est alors possible de déterminer un rapport masse sur charge (m/n) de chaque ion collecté. Au vu de cette dernière description, la SAT peut apparaitre comme l’un des meilleurs outils d’analyse permettant de caractériser des matériaux à une échelle atomique. Cependant, l’utilisation de cet instrument reste encore restreinte en science des matériaux. L’une des principales raisons à cela concerne les biais apportés par le système de détection de la SAT. En effet, il a été constaté que des pertes d’information pouvaient se produire lorsque le détecteur était soumis à des impacts d’ions multiples sur de très courtes périodes de temps. Ceci peut se traduire par des pertes sélectives dans le cas où certains éléments auraient tendance à s’évaporer par groupe de plusieurs ions sur une même impulsion de départ sur la pointe. D’autre biais ont aussi été constatés au niveau de l’identification chimique des ions détectés. Étant donné que cette identification s’effectue par spectrométrie de masse à temps de vol, on peut s’apercevoir que certains éléments d’un même matériau peuvent se regrouper sous des rapport m/n extrêmement proches. Ce qui a pour effet de créer des interférences entre pics de masses provenant d’éléments différents, et donc de créer de potentiels biais de compositions. Sur la base de ces différentes limites, cette thèse a pour but de répondre à la problématique suivante : Comment peut-on surpasser les limites des différents systèmes de détection de SAT ? Pour y répondre, des études, à la fois théoriqueset expérimentales, ont été effectuées pour traiter l’ensemble de ces derniers biais, jusqu’à l’aboutissement de nouveaux modèles théoriques et de nouveaux prototypes de détecteurs pour la SAT.