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Theses Year : 2001

Relation entre le gonflement et la creation de defauts dans les cristaux ioniques irradies par des ions lourds rapides

Abstract

When fast heavy ions penetrate in matter, they slow down essentially by depositing their energy on the electrons. This can lead to strong electronic excitation densities in the solid and then to structural modifications. In this work, calcium fluoride (CaF2) was used to look further into the damage induced by irradiation with fast heavy ions in ionic crystals. Four techniques were mainly employed to characterise this damage. These techniques of analysis are wide angle X-ray diffraction, surface profilometry, Rutherford backscattering spectrometry and UV-visible optical absorption spectroscopy. The results of this work show that CaF2 answers in a multiple way to the electronic excitations. For stopping powers higher than approximately 5 keV/nm, a polygonization seems to occur. This causes a structural disorder, a swelling of 0.27 % and the formation of fractures in the material. A second damage mechanism is caused above approximately 13 keV/nm and results in a loss of the initial crystalline structure. However, optical centres appear whatever the ion stopping power, which indicates that these defects cannot be the cause of the two above mentioned damage mechanisms. According to a thermal spike model, the two thresholds can be linked to melting and sublimation energy of the material, respectively.
Lorsque des ions lourds rapides pénètrent dans la matière, ils se ralentissent principalement en déposant leur énergie sur les électrons. Ceci peut conduire à de fortes densités d'excitations électroniques dans le matériau et ainsi à des modifications structurales. Dans ce travail, le fluorure de calcium (CaF2) a été utilisé pour approfondir l'étude de l'endommagement des cristaux ioniques par irradiation avec ces ions lourds rapides. Quatre techniques ont principalement été employées pour caractériser cet endommagement. Ces techniques d'analyse sont la diffraction de rayons X aux grands angles, la profilométrie de surface, la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en canalisation et la spectroscopie d'absorption optique UV-visible.
Les résultats de ce travail montrent que le CaF2 répond de manière multiple aux excitations électroniques créées par l'irradiation. Pour des pouvoirs d'arrt supérieurs à environ 5 keV/nm, un phénomène de polygonisation semble se produire. Ceci provoque un désordre structural, un gonflement de 0,27 % du matériau et la formation de fractures. Un deuxième mécanisme d'endommagement est occasionné au-dessus d'environ 13 keV/nm et se traduit par une perte de la structure cristalline d'origine. Cependant, des centres absorbants apparaissent quel que soit le pouvoir d'arrèt des ions, ce qui indique que ces défauts ne peuvent tre la cause des deux mécanismes d'endommagement précédents. L'interprétation par un modèle de pointe thermique permet d'associer les deux seuils précédents respectivement aux énergies de fusion et de sublimation du matériau.
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Cite

Marc Boccanfuso. Relation entre le gonflement et la creation de defauts dans les cristaux ioniques irradies par des ions lourds rapides. Physique [physics]. Université de Caen, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00002023⟩
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