" L'effet trampoline" des " atomes creux" formés sur les surfaces

25/9/96
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En 1990, une équipe du Laboratoire de Physique atomique et nucléaire (CNRS-Université Paris 6) animée par Jean-Pierre Briand a réussi à préparer des atomes dont tous les électrons (ou presque tous) sont excités dans des orbites externes, laissant libres les orbites internes. Ces espèces atomiques exotiques sont appelées " atomes creux ". Récemment, cette équipe a montré, en collaboration avec des physiciens du solide et des électrochimistes du CNRS et de l'Université Paris 6, que la configuration des atomes creux formés lors de l'interaction d'ions lents très chargés avec les surfaces dépendait fortement de la nature, conductrice ou isolante, de ces surfaces. Alors que ces ions viennent s'écraser sur la surface d'un métal, ils rebondissent au voisinage de la surface d'un semi-conducteur (" effet trampoline "). Utilisant le contrôle du mouvement des ions à l'échelle atomique, cet effet peut donner lieu à des applications intéressantes, notamment dans l'étude des semi-conducteurs.

Les atomes dans leur état habituel sont formés de Z électrons gravitant autour d'un noyau de charge +Z sur des orbites bien définies. L'orbite la plus proche du noyau (la plus interne) est appelée orbite K (n=1), la suivante L (n=2), etc. On peut, en excitant un atome, par exemple par un rayonnement lumineux, faire " sauter " un électron d'une orbite basse vers une orbite plus haute non occupée (on ne peut placer qu'un certain nombre d'électrons dans une orbite donnée : c'est le principe d'exclusion de Pauli). L'électron ainsi excité revient alors à sa place après un temps relativement long à l'échelle atomique (environ 10-10 s) en redonnant de l'énergie au milieu extérieur sous forme d'un photon.

Jean-Pierre Briand et son équipe ont montré en 1990 qu'il était possible de produire des atomes dont tous (ou presque tous) les électrons sont excités : les " atomes creux". La méthode utilisée consistait à enlever tous les électrons d'un atome dans des sources d'ions à plasma, puis à " rhabiller " l'ion ainsi formé au voisinage d'une surface métallique. La très forte charge positive de l'ion extrait les électrons libres du métal, qui sont alors satellisés autour du noyau de l'atome. Dans cette interaction, les électrons, au lieu de remplir directement les orbites les plus basses (état fondamental de l'atome), remplissent les orbites hautes correspondant à une faible énergie de liaison (voisine de celle de l'électron dans le métal).

Cet atome superexcité va alors revenir à l'état fondamental par une très longue série de transitions, les électrons descendant pas à pas d'une orbite vers l'autre (la plus proche). Ces transitions très rapides, de l'ordre de quelques 10-16 s, délivrent des " tops " qui permettent de déterminer une échelle de temps (à la manière d'une horloge). Entre deux " tops ", l'ion lent parcourt un trajet de l'ordre de la dimension des atomes. Cette propriété est actuellement utilisée pour étudier l'interaction des ions avec les surfaces.

Dans le cadre d'une collaboration élargie à d'autres équipes, les détails de cette interaction ont été récemment étudiés en fonction de la nature des surfaces considérées. Les chercheurs ont montré que les atomes creux formés au-dessus (et même sous les premières couches atomiques) d'une surface ont un comportement différent pour un métal, un semi-conducteur ou un isolant. Ces expériences ont été réalisées en observant les rayons X émis en vol par les ions au-dessus de la surface, les spectres de rayons X indiquant simultanément la configuration de l'atome creux et son évolution. Au-dessus d'une cible métallique, les ions sont attirés par la surface tout comme les corps pesants sont attirés par la terre (effet d'image électrique). Les ions, même sans vitesse initiale, doivent ainsi irrémédiablement toucher la surface, où ils forment des atomes creux particuliers qui émettent un signal de rayons X caractérisant le contact. Au-dessus de surfaces semi-conductrices (silicium) ou isolantes (oxyde de silicium), ces chercheurs ont démontré que l'effet d'attraction était compensé par un effet de répulsion dû aux " trous " formés dans le matériau : plus les ions s'approchent de la surface, plus ils sont repoussés. Ces forces répulsives font rebondir les ions à quelques rayons atomiques au-dessus de la surface, sans contact, comme sur un trampoline. On peut ainsi contrôler l'approche d'un ion sur une surface avec une sensibilité de l'ordre du rayon des atomes, en faisant simplement varier son énergie cinétique de quelques eV.

Ces résultats ouvrent de très intéressantes perspectives aussi bien pour le contrôle du mouvement des ions à l'échelle atomique que pour l'étude des semi-conducteurs ou la caracté- risation des surfaces. On peut par exemple reconnaître la présence d'une couche isolante sur une surface en caractérisant les atomes creux formés. Un ion s'approchant d'une surface de silicium peut, sans la toucher, la rendre localement conductrice à des distances de l'ordre du micromètre (par excitation d'électrons de valence dans la bande de conduction).

Références :

- J.-P. Briand, L. de Billy, P. Charles, S. Essabaa, P. Briand, R. Geller, J.-P. Desclaux, S. Bliman et C. Ristori, Physical Review Letters, 65, 1990, p.159.

- J.-P. Briand, S. Thuriez, G. Giardino, G. Borsoni, M. Froment, M. Eddrief et C. Sébenne, Physical Review Letters, 77, 1996, p. 1472.

(D'après CNRS-Info numéro 328 (15/09/96)