III. EMISSION ELECTRONIQUE SECONDAIRE

Introduction

L'émission de particules secondaires lors de l'impact d'ions sur une surface est un vaste champ d'étude en grande partie motivée par des applications dans de nombreux domaines. Nous ne traiterons pas ici de l’émission ionique secondaire, la pulvérisation cathodique, c'est à dire de l'arrachement d'atomes et d'ions d'une surface sous le bombardement de particules Ces processus rapides posent de nombreux problèmes en physique des plasmas tels ceux concernant l'interaction plasma parois dans les tokamaks. Nous traiterons donc uniquement de l'émission électronique secondaire dont l’importance n’échappera à personne. N'est-elle pas à l'origine du fonctionnement des photomultiplicateurs et des multiplicateurs à dynode continue tels les channeltrons ou les galettes de microcanaux. Historiquement, les premières études sur l'interaction entre les ions et les surfaces ont été développées afin de comprendre l'émission d'électrons secondaires induite par des ions aux collecteurs ioniques des spectromètres de masse. Il faut reconnaître le rôle de pionnier de H. D. Hagstrum qui a obtenu les premiers résultats expérimentaux  et théoriques aux Laboratoires Bell aux États-Unis. Il a montré que les électrons secondaires sont émis à la suite de deux processus : "l'émission potentielle" et "l'émission cinétique" que nous allons résumer.

Emission électronique potentielle

Un ion au voisinage d’une surface aura tendance à attirer des électrons de la cible et à se neutraliser. Des électrons seront capturés dans des orbitales excitées et, c’est au cours de déclins de type Auger que des électrons seront émis.

Fig.I-5.: processus d’échange de charge ion surface.

processus résonnant : (Fig. 5A neutralisations résonnantes, Fig. 5B neutralisation Auger, Fig. 5C Auto ionisation résonnante, Fig. 5D Deexcitation Auger)

Plus précisément, on identifie habituellement quatre types essentiels de mécanismes de transitions électroniques au voisinage d’une surface (Fig. I-5).
 


On distingue deux types de transitions résonnantes : la neutralisation résonnante (RN) dans laquelle l’électron est transféré de la bande de conduction du solide au projectile et l’ionisation résonnante (RI) correspondant au processus inverse. Ces processus sont surtout importants dans le cas d’une cible métallique, car il existe habituellement de nombreuses orbitales de Rydberg de l’ion en " face " de la bande de conduction. Quant à la neutralisation quasi résonnante (QRN), le transfert résonnant se fait de la bande de valence vers le projectile. Elle peut se produire aussi bien avec des surfaces métalliques que des surfaces isolantes.

L’interaction coulombienne entre deux électrons excités (transitions di-électroniques) se traduit par trois types de processus Auger : la neutralisation Auger (AN) qui met en cause l’interaction de deux électrons du solide, l’un vient combler la lacune interne du projectile alors que l’autre est éjecté dans le vide avec une énergie Eel. Dans la désexcitation Auger (AD) l’électron de la bande de conduction vient combler un niveau vide du projectile, alors qu’un électron présent dans un état excité est émis dans le vide avec une énergie Eel.

L’autoionisation (AI) est l’interaction entre deux électrons excités du projectile qui se traduit par le retour d’un des électrons dans une orbitale interne du projectile alors que l’autre est émis dans le vide avec une énergie Ee. Elle peut être en compétition avec la désexcitation radiative (RD).

Fig. I-5. suite : processus d’échange de charge ion surface.

(5.E) excitation collective, et (5.F) Désexcitation radiative.

Certains de ces processus, correspondant à la formation d’états di-excités des projectiles, ont lieu principalement dans le cas de l’interaction d’ions multichargés avec des surfaces métalliques. Leur rôle reste donc restreint dans le cas de surfaces isolantes à cause de la présence d’une bande interdite dans la structure électronique. Ces processus seront absents dans le cas des protons incidents sur LiF.

Si les projectiles sont suffisamment rapides, ils peuvent aussi provoquer une excitation collective des électrons ou plasmons. Dans le processus de désexcitation d’un ion multichargé sur la surface, l’excédent d’énergie dû au transfert de l’électron du solide vers des niveaux internes vide du projectile produit une excitation collective des électrons de la bande de conduction (ou "plasmon"). Ce n’est que récemment que Baragiola et al. ont mis en évidence l’excitation de plasmons de surface et de volume, lors de l’interaction d’un ion multichargé avec une surface métallique.

Emission électronique cinétique

Dans le cas d’une cible métallique, l’émission électronique cinétique se produit lors de collisions directes entre le projectile et le gaz d’électrons libres ou via l’excitation et la désexcitation de plasmons. On dit alors que le projectile peut "chasser " un électron [18]. On retrouve une approche très similaire à celle, discutée précédemment, employée pour décrire la perte d’énergie du projectile. Seule une faible partie de l’énergie cinétique du projectile peut être transférée aux électrons dans des collisions binaires a cause de la différence de masse considérable entre l’électron et le projectile. Des arguments simples de mécanique classique montrent que pour une vitesse vp du projectile, le maximum d’énergie cinétique qui peut être transféré à un électron est de 2vp(k+ vp) où k est le vecteur d’onde initial de l’électron (h k / 2p m = ve en unité atomique h/2p =m=1 où h est la constante de Planck, m la masse de l’électron.). Ces électrons sont émis préférentiellement dans la direction de la composante parallèle de la vitesse du projectile. Pour d’autres directions d’émission, le transfert d’énergie est moindre.

Dans les cas d’une collision avec une cible isolante à basse énergie, l’émission cinétique est à décrire dans le cadre d’une approche quasi-moléculaire de la collision. Dans une collision assez violente pour éjecter un électron dans le continu, le projectile s’approche suffisamment d’un cœur ionique de la cible pour former une quasi-molécule. Si la vitesse du projectile est très faible comparée à celle des électrons, ceux ci auront un temps suffisamment long pour se réajuster durant la collision. Dans ce cas, le système est décrit d’une façon purement adiabatique qui ne permet pas de transition du système vers des états excités. L’énergie de collision augmentant, des transitions électroniques non-adiabatiques sont favorisées au voisinage de croisements d’états électroniques et même aux croisements d’orbitales moléculaires pour les transitions mono-électroniques. Ces croisements d’orbitales peuvent être visualisés dans des diagrammes de corrélations diabatique décrits par le modèle de promotion électronique. De tels diagrammes décrivent l’évolution de l’énergie électronique en fonction de la distance internucléaire. En particulier les électrons présents dans les orbitales promues voient leurs énergies de liaison diminuer au fur et à mesure que la distance internucléaire devient plus petite. Des électrons secondaires peuvent alors être éjectés après un processus d’ionisation.
On classe généralement ces mécanismes d’ionisation en deux catégories :

Les processus d’autoionisation conduisent à des structures dans le spectre d’émission électronique, ces structures sont observées dans les collisions ion surface . On peut effectivement qualifier ces mécanismes d’"émission électronique cinétique ", car dans la formation d’orbitales moléculaires, c’est l’énergie cinétique des partenaires de la collision qui est transformée en énergie potentielle.