Dissertationen zum Thema „Faisceaux d'électrons à basse énergie“

Les phénomènes de charge des isolants ont été étudiés à l'aide d'un microscope électronique à balayage qui permet d'injecter de très faibles doses d'électrons dans une large gamme d'énergie et de mesurer simultanément l'émission électronique secondaire et la charge générée dans le matériau par influence. Les résultats obtenus ont permis de montrer que le rendement électronique secondaire est un bon moyen de caractériser l'état de charge d'un isolant et de classer ces matériaux en deux grandes classes selon leur capacité à relaxer les charges générées: les "piégeurs", de fortes résistivités, piégeant de manière stable les charges pendant des mois, et les "conductifs", de résistivités plus faibles, relaxant les charges plus ou moins rapidement selon la densité et la mobilité des charges intrinsèques au matériau. Le paramètre fondamental qui contrôle la cinétique de charge des isolants est la densité de courant primaire J0. Pour les "piégeurs", différents régimes de charge (autorégulé, vieillissement, dégradation) fonction de J0 et du domaine d'énergie considéré ont été observés. L'étude des "conductifs" a révélé l'existence d'un courant permanent au sein de ces matériaux, caractérisé par le rendement stationnaire [sigma]∞ qui permet de fixer la valeur limite de J0 que peut supporter un "conductif" sans accumulation de charges. Ces résultats ont permis de définir quel type de matériau devait être utilisé d'un point de vue électrique pour réduire voire annuler la déviation des électrons par les espaceurs des écrans plats à effet champ, mais aussi de mettre en place une nouvelle voie d'exploration du champ interne produit par polarisation thermique d'échantillons vitreux. Nous avons également développé une nouvelle voie d'exploration de l'évolution spatio-temporelle des charges piégées sur les isolants "piégeurs" grâce à l'utilisation d'un microscope à force électrostatique. Les premiers résultats montrent la grande stabilité des charges au sein de ces matériaux
Charging phenomena of insulating materials were studied thanks to a scanning electron microscope which allows the injection of few electrons doses in a large domain of energies and the measurements of the secondary electron emission and the induced current created in the sample holder by the charges generated in the sample. The results shown that the secondary electron emission yield is a very sensitive parameter to characterise the charging state of an insulator and they allowed to class these materials in two groups relatively to their ability to relax the generated charges: the "trapping insulators", presenting high resistivities, in which the charges are trapped in a stable way during several months and the "conductive insulators", presenting lower resistivities than the "trapping" ones, in which the charges relaxation occurs more or less rapidly depending on the density and the mobility of intrinsic charges of the material. The fundamental parameter controlling the charging kinetic is the current density J0. For "trapping insulators", different regimes (self-regulated, ageing, degradation) function of J0 and the domain of energy considered were observed. The study of "conductive insulators" revealed that a permanent current exist in these materials which is characterised by a steady state yield [sigma]∞ which fix the maximum value of J0 withstanding by a "conductive" without charge accumulation beneath its surface. These results allowed to define what kind of materials should be used from an electrical angle to reduce indeed to cancel the deviation of electrons due to spacers in field emission displays, and also to introduce a new characterisation process of the internal field created by thermal poling in glasses samples. We also developed a new exploration way of spatial and time evolution of trapped charges in "trapping insulators" thanks to an electrostatic force microscope. Firsts results show the very high stability of trapped charges in these materials

Depuis de nombreuses années, l'industrie microélectronique s'est engagée dans une course à l'augmentation des performances et à la diminution des coûts de ses dispositifs grâce à la miniaturisation de ces derniers. La génération de ces structures de petites dimensions repose essentiellement sur l'étape de lithographie. Dans cette optique, plusieurs techniques de lithographie nouvelle génération (NGL) sont en cours de développement afin de pouvoir répondre aux besoins de l'industrie pour les nœuds technologiques inférieurs à 20 nm. Parmi elles, les solutions de lithographie à faisceaux d'électrons multiples semblent très prometteuses grâce à leur écriture directe sans masque (ML2), ainsi que leur coût et encombrement réduits. Le CEA-LETI s'est associé à l'entreprise Mapper Lithography basée aux Pays-Bas afin d'aider au développement d'une technologie de lithographie électronique à faisceaux d'électrons multiples basse énergie (d'énergie 5 keV). Les travaux de thèse de ce manuscrit visent à contribuer au développement de cette technologie qui pourrait à terme permettre de réaliser des dispositifs CMOS pour les nœuds technologiques actuels et futurs. L'intégration d'une nouvelle technique de lithographie dans l'industrie repose sur 3 grands critères du procédé lithographique, la production horaire (sensibilité), la résolution (taille minimale des structures réalisées) et la rugosité de ligne. La rugosité de ligne est devenue l'un des paramètres les plus critiques limitant à l'heure actuelle la miniaturisation et pour cause cette dernière impacte de manière négative les performances des dispositifs. Alors que l'ITRS préconise une rugosité de ligne inférieure à 1.7 nm pour les futurs nœuds technologiques inférieurs à 20 nm, les lithographies actuelles ne permettent pas d'obtenir des rugosités inférieures à 4-5 nm. Les travaux de cette thèse visent la minimisation de la rugosité de ligne de résine imprimée par lithographie électronique en proposant des stratégies alternatives d'écriture ou en modifiant les empilements de matériaux sous-jacents la résine, ou encore par l'introduction de traitements post-lithographiques tels que des recuits thermiques ou des traitements plasma. Les études ont montré qu'en combinant une stratégie d'écriture et un traitement plasma à base de dihydrogène une réduction de 41% du LWR pouvait être obtenue
For decades, the growth of the Semiconductor Industry (SI) has been driven by the paramount need for faster devices at a controlled cost primarily due to the shrinkage of chip transistors. The performances of future CMOS technology generations still rely on the decrease of the device dimensions. However, the photolithography is, today, the limiting factor for pattern miniaturization and the technology has been at a standstill since the development of 193-nm water-based immersion lithography. Moreover, another parameter limiting further semiconductor scaling is the transistor gate linewidth roughness (LWR), i.e. the standard deviation of the gate critical dimension (CD) along the line. The LWR needs to be controlled at the nanometer range to ensure good electrical performances of the future CMOS device. The lithography step is again identified as the root cause of the gate LWR. Indeed, the significant LWR (4-5 nm) of the patterns printed by photolithography is transferred into the gate during the subsequent plasma etching steps, resulting in a final gate LWR far above the sub-2 nm LWR targeted for the sub-20 nm technological nodes. In order to continue scaling down feature sizes of devices, the semiconductor industry is waiting for the maturity of next generation lithographies (NGL). Among NGL, one can find the promising mask-less direct-write techniques (ML2) in which multiple electron beam lithography (multibeam lithography) is regarded as a serious candidate for providing high resolution structures at a low cost. The firm MAPPER Lithography, associated with CEA-LETI is working on the development of such a technology. The aim of this work is to contribute to the development of a low energy (5 keV) multibeam technology and to focus on the improvement of the LWR of the printed patterns. Several process parameters have been investigated to decrease the LWR: the effect of a specific writing strategy, the influence of the under layers and the introduction of post-lithographic treatments such as plasma treatments or thermal annealing. This work has shown that by combining a biased writing strategy with H2 plasma treatment, a 41% LWR decrease could be obtained. Although this performance is still above the ITRS requirements, this work opens the pace for LWR optimization with multi-beam lithography

Les phénomènes de charge des isolants ont été étudiés à l'aide d'un microscope électronique à balayage qui permet d'injecter de très faibles doses d'électrons dans une large gamme d'énergie et de mesurer simultanément l'émission électronique secondaire et la charge générée dans le matériau par influence. Les résultats obtenus ont permis de montrer que le rendement électronique secondaire est un bon moyen de caractériser l'état de charge d'un isolant et de classer ces matériaux en deux grandes classes selon leur capacité à relaxer les charges générées : · Les "piégeurs", de fortes résistivités, piégent de manière stable les charges pendant des mois. · Les "conductifs", de résistivités plus faibles, relaxent les charges plus ou moins rapidement selon la densité et la mobilité des charges intrinsèques au matériau. Les résultats obtenus ont également montré que le paramètre fondamental qui contrôle la cinétique de charge des isolants est la densité de courant primaire J0. Pour les "piégeurs", différents régimes de charge (autorégulé, vieillissement, dégradation) fonction de la densité de courant J0 et du domaine d'énergie considéré ont été observés. L'étude des "conductifs" a révélé l'existence d'un courant permanent au sein de ces matériaux, caractérisé par le rendement stationnaire qui permet de fixer la valeur limite de J0 que peut supporter un "conductif" sans accumulation de charges. Ces résultats ont permis de définir quel type de matériau devait être utilisé d'un point de vue électrique pour réduire voire annuler la déviation des électrons par les espaceurs des écrans plats à effet champ, mais aussi de mettre en place une nouvelle voie d'exploration du champ interne produit par polarisation thermique d'échantillons vitreux. Nous avons également développé une nouvelle voie d'exploration de l'évolution spatio-temporelle des charges piégées sur les isolants "piégeurs" grâce à l'utilisation d'un microscope à force électrostatique. Les premiers résultats montrent la grande stabilité des charges au sein de ces matériaux.

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le cadre d'une collaboration CIFRE entre Thales-MIS et le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). L'objectif principal est d'améliorer le courant moyen des accélérateurs laser-plasma à faible énergie, notamment dans la gamme de quelques MeV. Cette avancée revêt un intérêt particulier pour les applications à faible énergie telles que la tomographie industrielle par rayons X, ne nécessitant pas de faisceaux d'électrons monoénergétiques.Des expériences ont été menées au moyen du système laser de 60 TW installé dans la Salle Jaune du LOA, capable de générer des impulsions de 30 fs. À travers une exploration minutieuse des densités de plasma, des énergies laser, des cibles gazeuses et des degrés de focalisation, nous avons identifié les conditions propices à la production de faisceaux d'électrons hautement divergents (i.e., >100 mrad) de quelques MeV, avec des charges variant de 5 à 30 nC. Nous avons également atteint une efficacité maximale de conversion d'énergie laser-électron d'environ 14 %, parmi les plus élevées jamais mesurées. En envisageant les futurs systèmes laser capables d'atteindre des puissances moyennes d'environ 100 W, ces configurations pourraient ouvrir la voie à la réalisation de faisceaux d'électrons accélérés par laser-plasma, avec des courants moyens dépassant 1 microampère, surpassant ainsi l'état de l'art actuel des accélérateurs laser-plasma. Pour mener à bien ces expériences novatrices, nous avons conçu une buse supersonique en verre et des dipôles magnétiques permanents permettant de dévier les électrons vers des écrans scintillants pour effectuer la spectrométrie des faisceaux produits. Parallèlement aux expériences, cette thèse a également approfondi les simulations Particle-In-Cell (PIC) pour étudier les mécanismes d'accélération. Grâce à un outil numérique spécifiquement développé pour traiter les résultats des simulations PIC, nous avons démontré que la force pondéromotrice du laser joue un rôle prépondérant dans l'accélération des électrons. Notamment, la majorité des particules ne sont pas injectées dans les ondes du plasma, mais glissent plutôt sur l'impulsion laser, acquérant ainsi une faible énergie de l'ordre de quelques MeV
This doctoral thesis is part of a CIFRE collaboration between Thales-MIS and the Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). The main objective is to enhance the average current of low-energy laser-plasma accelerators, particularly in the range of a few MeV. This advancement is particularly interesting for low-energy applications such as industrial X-ray tomography, which does not require monoenergetic electron beams.Experiments were conducted using the 60,TW laser system installed in the Salle Jaune at LOA, capable of generating 30 fs pulses. Through meticulous exploration of plasma densities, laser energies, gas targets, and focusing degrees, we identified conditions conducive to producing highly divergent electron beams (i.e., >100 mrad) at energies of a few MeV, with charges ranging from 5 to 30 nC. We also achieved a maximum laser-to-electron energy conversion efficiency of approximately 14 %, one of the highest ever measured. Looking ahead to future laser systems capable of achieving average powers of around 100 W, these configurations could pave the way for generating laser-plasma accelerated electron beams with average currents exceeding 1 microampere, surpassing the current state of the art in laser-plasma accelerators. To facilitate these innovative experiments, we designed a supersonic glass nozzle and permanent magnetic dipoles to deflect electrons towards scintillating screens for beam spectroscopy. Concurrently with the experiments, this thesis also delved into Particle-In-Cell (PIC) simulations to study acceleration mechanisms. Using a dedicated numerical tool for processing PIC simulation results, we demonstrated that the ponderomotive force of the laser plays a predominant role in electron acceleration. Notably, the majority of particles are not injected into plasma waves but rather slide along the laser pulse, thereby gaining low energies on the order of a few MeV

Nous proposons une methode de nitruration superficielle a basse temperature de films minces de silice par silicium (100). La nitruration superficielle est realisee en irradiant la surface de la silice avec des electrons de basse energie (3 ev-300 ev) en presence d'une faible pression d'ammoniac (p#n#h#310###4 mbar). Grace aux differentes analyses physico-chimiques de surface et de volume: aes, erosion ionique, spectroscopie de masse d'ions secondaires, spectrometrie ir-ft, nous avons pu mettre en evidence la realite de la nitruration et suivre la distribution de concentration d'azote dependant de l'energie des electrons incidents utilises pour la reaction de la densite de courant et de la pression du gaz d'ammoniac. Les mesures electriques entreprises par la methode de sonde a mercure revelent l'effet benefique d'un recuit h#2 post-nitruration (450c), reduisant la concentration des pieges crees sous irradiation. Cette etape une fois franchie, nous avons pu decoupler l'influence des parametres temperature (700c950c) et irradiation d'electrons de 3 ev rencontres dans un plasma faiblement ionise du reacteur uranos-cnet meylan. Ces electrons engendrent un taux de nitruration superficielle non negligeable meme a la temperature ambiante. L'elevation de la temperature (<950c) de l'echantillon active la reaction superficielle de ces electrons de faible energie avec la surface de sio#2 et favorise la migration de l'azote vers l'interface. Ces resultats nous ont permis de comprendre le role joue par les electrons de faible energie dans la reaction de nitruration plasma et le mecanisme de nitruration sous faisceau d'electrons de basse energie

Les électrons de basse énergie sont générés en grande quantité lors d'une irradiation par des rayons X ou 7 ou encore par des particules de hautes énergies (électrons ou protons). En fait, ils constituent l'espèce secondaire la plus abondante. II est donc important d'étudier en détail leurs interactions avec la matière biologique afin d'achever une compréhension complète de l'effet du rayonnement ionisant sur le vivant. Nous nous proposons dans ce travail de recherche d'étudier théoriquement l'interaction des EBE avec des systèmes d'intérêt biologique comme le méthanol, le tétrahydrofurane (THF) et le dimère d'eau. Une partie de cette étude est effectuée en phase gazeuse, c.-à-d. sur des molécules isolées. Pour ce faire, nous utilisons la théorie de la matrice R. Cette méthode a été employée avec succès dans l'étude des collisions d'électrons lents avec des atomes ou des molécules de taille petite à moyenne (2 à 4 noyaux). Nous nous proposons de l'appliquer ici à des molécules de taille importante (6 à 13 noyaux). Nous avons identifié lors de ce travail les avantages et les inconvénients d'appliquer la théorie de la matrice R aux molécules biologiques. En particulier, nous avons montré que l'implémentation actuelle du logiciel R-matrix (Tennyson & Morgan 1999) a des limites à lever avant d'entreprendre des calculs avec des cibles plus complexes. De plus, nous avons montré la nécessité de disposer d'études préalables du spectre électronique de la molécule cible. Ces études permettraient la sélection du meilleur modèle représentant la cible, ce qui permet ensuite de générer des données de collision finales fiables. Dans le milieu biologique, les molécules ne sont pas isolées et l'interaction avec les EBE prend en compte l'effet de l'environnement. Le second volet de cette thèse de doctorat a été de développer un outil simple qui permettrait d'obtenir de l'information sur les processus de collision dans les phases complexes (comme les solides ou les agrégats) à partir de données de collisions en phase gazeuse, qui peuvent être obtenues par exemple avec la méthode de la matrice R. Pour ce faire nous avons commence par valider l'utilisation de la méthode de la matrice R dans un environnement condensé. Ceci nous a permis d'identifier les contraintes nécessaires afin d'être en mesure d'effectuer un calcul de diffusion multiple en utilisant les données de collision générées pour une molécule isolée. Finalement, nous avons appliqué cette approche à une cible formée de deux centres diffuseurs et avons été en mesure de déterminer la SE de collision avec un dimère d'eau. En conclusion, il a été possible dans la présente thèse de 1. Calculer la section efficace élastique de collision pour les trois systèmes cibles. La comparaison avec les données expérimentales et/ou théoriques disponibles montre que nos calculs donnent des résultats satisfaisants. 2. Calculer la section efficace d'excitation électronique du méthanol et du THF. 3. Caractériser les résonances électroniques (positions et durées de vie) ainsi qu'identifier les états parents. 4. Mettre en application une nouvelle méthode simple permettant de calculer la section efficace de collision avec des systèmes complexes tels que le dimère d'eau. [Symboles non conformes]

Ce travail de thèse a été motivé par la volonté de mesurer la transmission d’un faisceau électronique de basse énergie à travers un film. Ce type de mesures a été réalisé à l’aide du microscope électronique à projection MEP, dont l’utilisation est basée sur trois éléments clés : la pointe émettrice, l’objet, le système de détection. Les mesures effectuées permettent, sur un même objet, de déterminer la transmission en fonction de l’énergie cinétique des électrons incidents pour des énergies comprises entre quelques dizaines et plusieurs centaines d’électronvolts. Afin de mener à bien ces mesures, nous avons développé une procédure de fabrication de films ultra fins autosupportés. Leur caractérisation en MEB et MET a montré que cette procédure est fiable et qu’elle permet d’obtenir des films autosupportés de quelques nanomètres d’épaisseur sur des tailles latérales de quelques dizaines de micromètres. Nous nous sommes plus particulièrement penchés sur des films d’or nano poreux et sur des films continus de nickel. Cependant, des essais encourageants (Co, Au/Co/Au, oxyde d’aluminium, tétracontane) utilisant cette procédure indiquent que cette méthode de fabrication peut être étendue. Les mesures de transmission que nous avons réalisées sur l’or et le nickel ont permis d’accéder à des caractéristiques inhérentes au matériau. En effet, elles constituent une nouvelle méthode de détermination du potentiel interne U et du libre parcours moyen Λ. Nous démontrons donc à travers ce travail que la mesure de l’intensité transmise d’un faisceau cohérent d’électrons par un film ultra fin peut être réalisée à une échelle locale voire sur un cristallite unique. De plus, les films nano poreux constituent des objets agissant sur l’onde électronique aussi bien au niveau de l’amplitude que de la phase. Il nous est donc possible de moduler la fonction d’onde électronique par la maitrise de l’épaisseur et de la porosité du film
This work of thesis was motivated by the will to measure the transmission of an electronic beam of low energy through a film. These measures were realized with the electron projection microscope, the use of which is based on three key elements: the tip, the object, the system of detection. The made measures allow, on the same object, to determine the transmission according to the kinetic energy of the incidental electrons for energies included between some tens and several hundreds of électronvolts. To bring to a successful conclusion these measures, we developed a procedure to fabricate freestanding ultra thin films. Their characterization by electronic microscopy showed that this procedure is reliable and that it allows to obtain freestanding films of some nanometers of thickness about side sizes of some tens of micrometers. We more particularly bent over golden nano porous films and over continuous nickel films. However, encouraging attempts (Co, Au/Co/Au, aluminum oxide, tétracontane) using this procedure indicate that this fabrication method can be spread. Transmission measurements realized on gold and nickel allowed to reach characteristics inherent to the material. Indeed, they constitute a new method of determination of the inner potential U and of inelastic mean free path Λ. We thus demonstrate through this work that the measure of the transmitted intensity of a coherent electrons beam by an ultra thin film can be realized in a local scale even on a unique cristallite. Furthermore, nano porous films constitute objects acting on the amplitude and the phase of the electronic wave. It is thus possible to modulate the wave electronic function by the control of the thickness and the porosity of the film

L’espace est un milieu hostile pour les équipements embarqués à bord des satellites. Les importants flux d’électrons qui les bombardent continuellement peuvent pénétrer à l’intérieur de leurs composants électroniques et engendrer des dysfonctionnements. Leur prise en compte nécessite des outils numériques 3D très performants, tels que des codes de transport d’électrons utilisant la méthode statistique de Monte-Carlo, valides jusqu’à quelques eV. Dans ce contexte, l’ONERA a développé, en partenariat avec le CNES, le code OSMOSEE pour l’aluminium. De son côté, le CEA a développé, pour le silicium, le module basse énergie MicroElec dans le code GEANT4. L’objectif de cette thèse, dans un effort commun entre l’ONERA, le CNES et le CEA, est d’étendre ces codes à différents matériaux. Pour ce faire, nous avons choisi d’utiliser le modèle des fonctions diélectriques, qui permet de modéliser le transport des électrons à basse énergie dans les métaux, les semi-conducteurs et les isolants. La validation des codes par des mesures du dispositif DEESSE de l’ONERA, pour l’aluminium, l’argent et le silicium, nous a permis d’obtenir une meilleure compréhension du transport des électrons à basse énergie, et par la suite, d’étudier l’effet de la rugosité de la surface. La rugosité, qui peut avoir un impact important sur le nombre d’électrons émis par les matériaux, n’est habituellement pas prise en compte dans les codes de transport, qui ne simulent que des matériaux idéalement plats. En ce sens, les résultats de ces travaux de thèse offrent des perspectives intéressantes pour les applications spatiales
Space is a hostile environment for embedded electronic devices on board satellites. The high fluxes of energetic electrons that impact these satellites may continuously penetrate inside their electronic components and cause malfunctions. Taking into account the effects of these particles requires high-performant 3D numerical tools, such as codes dedicated to electrons transport using the Monte Carlo statistical method, valid down to a few eV. In this context, ONERA has developed, in collaboration with CNES, the code OSMOSEE for aluminum. For its part, CEA has developed for silicon the low-energy electron module MicroElec for the code GEANT4. The aim of this thesis, in a collaborative effort between ONERA, CNES and CEA, is to extend those two codes to different materials. To describe the interactions between electrons, we chose to use the dielectric function formalism that enables to overcome of the disparity of electronic band structures in solids, which play a preponderant role at low energy. From the validation of the codes, for aluminum, silver and silicon, by comparison with measurements from the experimental set-up DEESSE at ONERA, we obtained a better understanding of the transport of low energy electrons in solids. This result enables us to study the effect of the surface roughness. This parameter, which may have a significant impact on the electron emission yield, is not usually taken into account in Monte Carlo transport codes, which only simulate ideally flat materials. In this sense, the results of this thesis offer interesting perspectives for space applications

Generation des faisceaux d'electrons par des diodes a cathodes froide, profil de l'energie deposee dans la cavite laser en fonction des parametres pression et melange ar/kr/f::(2). Le systeme utilise quatre canons a electrons segmentes, places deux a deux les uns en face des autres afin d'obtenir un pompage uniforme. Les resultats numeriques obtenus sur un systeme modulaire, sous la forme de signaux tension et courant en fonction du temps sont similaires aux resultats experimentaux. L'optimisation des distributions spatio-temporelles de l'energie deposee dans la cavite laser a ete effectuee numeriquement par la methode de monte carlo en utilisant les theories du pouvoir de ralentissement du gaz en fonction du melange et de la pression

Le phénomène d’émission électronique sous impact d’électrons, bien que très étudié, est mal connue à très basse énergie (<100 eV). Un domaine d’énergie où ce phénomène est un paramètre fondamental de technologies dans le domaine spatial comme les guides d’onde radiofréquence sous vide. Afin de lieux comprendre ce phénomène à cette gamme d’énergie,une étude théorique a été entreprise par le biais d’une simulation Monte-Carlo de l’émission électronique à très base énergie. Après identification des interactions mises en jeu, nous avons sélectionné pour chaque interaction le ou les modèles existants les plus appropriés tout en leur apportant des modifications à chaque fois que cela était nécessaire. Certains modèles trouvés dans la littérature ont été utilisés pour la première fois dans le domaine de l’émission électronique. Notre approche a été appliquée à l’aluminium et a été validée expérimentalement lorsque les données existaient. L’allure de la courbe de rendement communément admise à ce jour a été contredite et expliquée par la faible probabilité d’échappement des électrons de très basse énergie, ainsi que par un traitement plus rigoureux de la réflexion des électrons de très basse énergie qui impactent le matériau. De surcroit, la simulation donne accès pour la première fois à un rendement à très basse énergie qui présente des oscillations que l’on retrouve dans les rares données expérimentales disponibles. Ces oscillations sont attribuées à l’interaction de l’électron avec les plasmons. Les simulations ont montré l’importance de la population d’électrons rétrodiffusés à très basse énergie
Although extensively studied, the phenomenon of electron emission under electron impact is not very well known at very low energy (<100 eV). An energy range where this phenomenon is a fundamental parameter in space technologies such as radiofrequency waveguide in vacuum. In order to provide a better understanding of the phenomenon, in this energy range, a theoretical study through Monte Carlo simulation of electron emission at very low energyhave been undertaken. After identification of the involved interactions, we selected for each interaction the most appropriate existing models while providing modifications whenever necessary. Somme models found in the literature were used for the first time in the field ofelectron emission. Our approach has been applied to aluminum and has been validated experimentally when data existed. The commonly accepted shape of the yield curve has benne contradicted and explained by the low escape probability of very low energy electrons, as well as by a more rigorous treatment of the reflection of very low energy electrons that impact thematerial. In addition, the simulation provides, for the first time, access to a yield curve at very low energy presenting oscillations also found in the few available experimental data. These oscillations are attributed to the interaction of the electrons with the plasmons. Simulations showed the importance of the backscattered electrons population ate very low energy

Au cours de ce travail nous nous sommes intéressés d'un point de vue expérimental à l'interaction d'électrons de basse énergie avec des surfaces de diamant hydrogéné et oxygéné. Plus précisément nous avons étudié, en particulier, les mécanismes de désorption d'ions H ̄et O ̄par ces surfaces. Les surfaces de diamant hydrogéné ont fait l'objet d'une attention particulière. Pour ces surfaces nous avons mis en évidence l'existence d'une résonance de Feshbach autour de 9 eV qui est responsable de la désorption des ions H ̄via un mécanisme attachement électronique dissociatif, direct autour de 9 eV et indirect autour de 22 eV. D'autre part un mécanisme de dissociation dipolaire contribue à la dissociation des ions H ̄au dessus de 14 eV. Ces deux mécanismes sont probablement impliqués dans la photodésorption des ions H ̄que nous avons mentionné dans l'introduction. Ils contribuent donc à l'appauvrissement des surfaces de diamant hydrogéné en hydrogène et donc à la dégradation de leur propriété d'affinité électronique négative. La résonance à 9 eV est responsable d'autre part de l'atténuation du courant d'électrons secondaires émis par ces surfaces soumises à un bombardement électronique, par l'induction de courbures des bandes d'énergie vers le haut de ces surfaces. Des études récentes au laboratoire ont aussi montré que cette résonance contribue à l'excitation vibrationelle des liaisons C-H. Enfin des études en fonction de l'intensité du courant incident et de la température de surface ont montré qu'en travaillant avec des courants inférieurs à 2 nA et des températures de l'ordre de 500 K, il est possible d'éviter la décroissance du courant d'électrons secondaires émis par les surfaces de diamant hydrogéné. Bien que nos résultats se situent très en amont des applications industrielles des surfaces de diamant, ils devraient permettre d'optimiser l'utilisation de ces surfaces pour les hautes technologies
In this work, we considered from the experimental point of view, the interaction of low-energy electrons with hydrogenated oxygenated diamond surfaces. We have studied the mechanisms of H ̄and 0 ̄ions desorption from these surfaces, hydrogenated diamond surfaces received particular attention. For this surface, we have proved the existence of Feshbach resonance at 9 eV, which is responsible for H ̄ions desorption, by the direct dissociative electron attachment mechanism at 9 eV, and by indirect dissociative electron attachment at 22 eV. In the other hand dipolar dissociation mechanism contributed to H ̄ions desorption above 14 eV. The two mechanisms are involved probably in the photodesorption of H- ions which we have mentioned in the introductions. Thus, they contribute to the depletion of hydrogen from hydrogenated diamond surfaces and consequently to the degradetion of the negative electronic affinity property. In addition the resonance at 9 eV is responsible for the attenuation of the current of secondary electrons, emmited by the surfaces submitted to electronic bombardment, by the induction of upward energy band bending. The recent studuies in the laboratory showed that this resonance contribute to vibrational excitation of C-H bond. Finally studies as function of incident current intensity and surface temperature showed that if one works with currents lover to 2 nA and temperatures around 500 K, it is possible to avoid the decrease of the secondary electrons emmitted by the surfaces of hydrogenated diamond. Despite the fact that our results are far ahead of industrial use of diamond surfaces, they should be used for optimisation of this surfaces for high technologies applications

Les calculs théoriques prévoient que la dynamique d’excitation rotationnelle desmolécules CO et O2, induite par collision avec H2, est dominée par des résonancesquantiques aux très basses énergies. Leur mise en évidence expérimentale estrendue difficile par la nécessité d’obtenir des énergies de collision très faibles et unegrande résolution en énergie. Les expériences menées grâce à un montage defaisceaux moléculaires croisés à angle d’intersection variable, nous permettent ainsid’observer le seuil des transitions j = 0  1 de CO à 3,85 cm-1 et Nj = 10  11 de O2à 3,96 cm-1. Ces énergies correspondent à l’énergie cinétique moyenne d’un gaz àune température inférieure à 4 K. Les pics dans le tracé des sections efficacesintégrales en fonction de l’énergie de collision, constituent la première observationexpérimentale de résonances pour des processus inélastiques. Le bon accord avecles calculs théoriques permet de valider les potentiels d’interaction et ainsi dedéduire les constantes de vitesse pour la modélisation du milieu interstellaire. Nosrésultats expérimentaux mettent en relief la nature quantique des interactionsmoléculaires aux très basses énergies
Theoretical calculations predict that the dynamics of rotational excitation of CO or O2molecules, induced by collisions with H2, are dominated by quantum scatteringresonances at very low energies. However, experimental observation of these effectsis challenging: very low collision energies and high energy resolution are bothrequired. Experiments performed with a crossed molecular beam apparatus withvariable intersection angle allow us to observe the thresholds of the CO (j = 0  1)transition at 3.85 cm-1 and the O2 (Nj = 10  11) transition at 3.96 cm-1, whichcorrespond to the average kinetic energy of a gas below 4 K. The peaks in theintegral cross section’s collision energy dependence constitute the first experimentalobservation of resonances in an inelastic process. The good agreement betweentheory and experiment reinforces the confidence in the interaction potentials used todeduce rate coefficients for modeling the interstellar medium in the 1-20 K range. Ourexperimental results highlight the quantum nature of molecular interactions at verylow energies

Dans la premiere partie, nous presentons une methode originale permettant une determination precise de l'energie de non charge des isolants en microscopie electronique a balayage. Elle est basee sur l'etude de la variation du potentiel de la surface d'un isolant induite par un depot de charges. Elle utilise pour cela l'analyse des spectres energetiques des electrons secondaires reemis. De plus, elle permet un acces qualitatif au rendement de charge. Elle est appliquee avec succes a divers oxydes de silicium ainsi qu'a des resines lithographiques. Les resultats obtenus sont correles avec d'autres methodes utilisees en metrologie et une generalisation de theories existant dans la litterature. Dans la deuxieme partie, dans le cas de composants mos, nous caracterisons divers processus technologiques a partir des densites de charge d'oxyde de grille et d'etats d'interface induites par les irradiations aux electrons basse ou moyenne energie. Les composants sont issus de technologies a lithographie optique et a faisceau d'electrons, a un et deux niveaux de metal. Un comportement original est observe sur des transistors a canal p a un niveau de metal. Il s'agit d'une deformation de la caracteristique de transfert avec la dose d'electrons incidents et d'une augmentation de la transconductance. Ce phenomene est interprete et modelise comme la mise en serie, sous l'effet de l'irradiation electronique, de plusieurs transistors. Les simulations realisees a partir d'un modele a une dimension sont en excellent accord avec l'experience. Nous avons de plus, mis en evidence, sur des composants a deux niveaux de metal, les effets de sur-irradiation en cours de processus technologique

Etude experimentale avec résolution temporelle à l'échelle de la nanoseconde des valeurs absolues des séctions efficaces pour les transferts partiels d'énergie électronique entre Na(4d) et He, Ar, N(2), O(2), N(2)o et SF(6). Développement quantitatif de deux modèles à intermediaire ionique : réseau de multicroisement et diffusion résonnants atome excité-molecule. Emploi de l'approximation d'impact avec correction d'effet de coeur pour la transfert de moment orbital na(4d -> 4f)

La présente étude est dédiée à la compréhension des mécanismes de malaxage intervenant lors du soudage de matériaux dissimilaires par des sources de haute énergie et en particulier sur deux couples de matériaux présentant des problèmes métallurgiques différents : * cuivre - inox (lacune de miscibilité, différence de propriétés thermophysiques),* TA6V- inox (oxydation, formation de phases intermétalliques fragilisant la soudure).Pour le premier couple de matériaux, le soudage par laser Nd:YAG continu et par faisceau d'électrons a été utilisé. L'étude des évolutions de la morphologie des soudures, de la composition et de la microstructure des zones fondues ainsi que des propriétés mécaniques a permis de proposer des hypothèses sur les mécanismes de formation du mélange hétérogène à solubilité limitée. Afin de quantifier les phénomènes physiques intervenant en soudage continu de matériaux dissimilaires, la modélisation numérique a été mise en œuvre en utilisant le logiciel FEM "Comsol Multiphysics". Une série des modèles simulant les champs de températures, les mouvements convectifs et le malaxage (diffusion, méthode level set, méthode des champs de phases) a été créée. Dans le cas du laser, la formulation pseudo-stationnaire du transfert de chaleur basée sur la géométrie du capillaire simplifiée et la convection a été couplée avec les problèmes 2D de diffusion et de malaxage des matériaux dans différents plans horizontaux. En soudage par faisceau d'électrons, la morphologie de la microstructure a nécessité une formulation temporelle. Le modèle multiphysique final en couplage complet (solution multiphysique simultanée) reproduit le processus de formation d'une structure périodique de solidification lors du soudage par faisceau d'électrons et permet d'expliquer l'aspect des structures alternées entre matériaux immiscibles ou présentant de grandes différences de propriétés thermophysiques.Le deuxième couple de matériaux présente des problèmes métallurgiques majeurs liés à la formation des phases intermétalliques rendant l'assemblage direct par fusion impossible. La composition locale devient donc l'aspect-clef de la formation d'une soudure correcte : l'introduction d'un troisième matériau (cuivre) ayant une meilleure compatibilité avec le titane est nécessaire. Pour pouvoir déterminer les fenêtres optimales des conditions opératoires, les modèles numériques, créés précédemment, ont été adaptés pour quatre procédés de l'assemblage : faisceau d'électrons, soudage lasers Nd:YAG continu et pulsé, brasage par laser avec apport de fil. L'analyse élémentaire des microstructures dans les soudures résistantes mécaniquement a permis de développer le scénario de la solidification d'une zone fondue et de comprendre l'influence de la composition aux interfaces sur la résistance mécanique des assemblages.Les modèles numériques multiphysiques créés au cours de cette étude permettent l'accès rapide à la grande quantité d'information sur le comportement de la zone fondue en fonction des paramètres de soudage en se basant sur le nombre des données de départ relativement limité et sur quelques hypothèses simplificatrices. L'approche multiphysique à la modélisation de soudage permet de reproduire la forme de la zone fondue, visualiser les écoulements du liquide et cartographier la distribution de certains éléments avec une bonne corrélation avec les résultats expérimentaux. L'ensemble des modèles permet de déterminer les conditions opératoires répondant aux critères fixes en fonction de la métallurgie d'un couple hétérogène.

Résumé: Ce mémoire de maîtrise est une étude des probabilités d’interactions (sections efficaces) des électrons de basse énergie avec une molécule d’intérêt biologique. Cette molécule est le tétrahydrofurane (THF) qui est un bon modèle de la molécule constituant la colonne vertébrale de l’ADN; le désoxyribose. Étant donné la grande quantité d’électrons secondaires libérés lors du passage des radiations à travers la matière biologique et sachant que ceux-ci déposent la majorité de l’énergie, l’étude de leurs interactions avec les molécules constituant l’ADN devient rapidement d’une grande importance. Les mesures de sections efficaces sont faites à l’aide d’un spectromètre à haute résolution de pertes d’énergie de l’électron. Les spectres de pertes d’énergie de l’électron obtenus de cet appareil permettent de calculer les valeurs de sections efficaces pour chaque vibration en fonction de l’énergie incidente de l’électron. L’article présenté dans ce mémoire traite de ces mesures et des résultats. En effet, il présente et explique en détail les conditions expérimentales, il décrit la méthode de déconvolution qui est utilisée pour obtenir les valeurs de sections efficaces et il présente et discute des 4 résonances observées dans la dépendance en énergie des sections efficaces. En effet, cette étude a permis de localiser en énergie 4 résonances et celles-ci ont toutes été confirmées par des recherches expérimentales et théoriques antérieures sur le sujet des collisions électrons lents-THF. En outre, jamais ces résonances n’avaient été observées simultanément dans une même étude et jamais la résonance trouvée à basse énergie n’avait été observée avec autant d’intensité que cette présente étude. Cette étude a donc permis de raffiner notre compréhension fondamentale des processus résonants impliqués lors de collisions d’électrons secondaires avec le THF. Les valeurs de sections efficaces sont, quant à elles, très prisées par les théoriciens et sont nécessaires pour les simulations Monte Carlo pour prédire, par exemple, le nombre d’ions formées après le passage des radiations. Ces valeurs pourront justement être utilisées dans les modèles de distribution et dépôt d’énergie au niveau nanoscopique dans les milieux biologiques et ceux-ci pourront éventuellement améliorer l’efficacité des modalités radiothérapeutiques.
Abstract: This master’s thesis is a study of interactions probabilities (cross sections) of low-energy electrons with an important biomolecule. The studied molecule is tetrahydrofuran (THF) which is a good model for the DNA backbone constituent deoxyribose. Knowing the important quantity of secondary electrons generated by the radiations passage through the biological matter and knowing that these low-energy electrons are responsible for the majority of the energy deposited, the study of their interactions with DNA constituents becomes rapidly important. Cross sections measurements are performed with a high-resolution electron energy loss spectrometer. The electron energy loss spectra obtained from this spectrometer allow cross sections calculations for each vibration mode as a function of electron incident energy. The article presented in this master thesis describes in details the experimental methods, it presents energy loss spectra and it shows and discusses results obtained in this project. The energy dependence of the cross sections allows the observation of multiple resonances in many vibration modes of THF. Effectively, this study allows the energy localisation of 4 resonances, which have all been confirmed by previous experimental and theoretical studies on the electron-THF collisions. Additionally, these resonances have never been observed simultaneously in the same study and the resonance found at low incident energy has never been observed with as much intensity as this present work. This study allowed a better understanding of the fundamental processes occurring in collisions of low-energy electrons with THF. The cross sections values are highly prized by theorists and they are essential for Monte Carlo simulations. These values will be used in models for energy distribution and deposition in biological matter at nanoscopic scales, thereby they will eventually improve the efficiency of radiotherapeutic modalities.

L'objet de cette thèse est le développement de méthodes d'analyse ponctuelles et non destructives pour l'étude d'alliages Au-Ag-Cu archéologiques. Les techniques employées sont des techniques nucléaires induites par faisceaux d'ions de basse énergie (de l'ordre du MeV/nucléon) ; deux thèmes ont été abordés : - la caractérisation des placages par RBS, - l'analyse des alliages de l'orfèvrerie romaine par PIXE. Jusqu'à présent à cause de la pénurie de méthodes non destructives, les placages archéologiques ont été peu étudiés. Nous avons donc développé deux techniques permettant la caractérisation de couches d'or déposées sur un support métallique.

L’étude de la dynamique d’un faisceau d’ions de haute intensité dans les lignes de basse énergie (LBE)représente l’un des défis majeurs de la science des accélérateurs. basse énergie, cette dynamique est dominée par le champ de charge d’espace induit par le faisceau lui-même, qui en général est non linéaire et peut entrainer des phénomènes de halo, de grossissement d’émittance et de pertes de faisceau. Toutefois, un faisceau à basse énergie se propageant dans une LBE induit l’ionisation du gaz résiduel présent dans la chambre. Les particules (ions et électrons) issues de l’ionisation sont repoussées ou attirées radialement par le champ de charge d’espace en fonction du signe de leur charge. D’autres réactions physiques ont lieu dans la ligne basse énergie, jouant ainsi un rôle dans la dynamique du faisceau et sur l’établissement du temps et du taux de compensation de charge d’espace. Afin d’obtenir des résultats prédictifs et fiables quantitativement, des simulations de transport de faisceau en régime de compensation de charge d’espace avec le code de calcul warp ont été réalisées en prenant également compte les réactions physiques les plus probables. On discutera ensuite des résultats de ces simulations en lien avec ceux issus de différentes compagnes de mesure réalisées auprès des LBE des projets MYRRHA et IFMIF
The study of intense ion beam dynamics in lowenergy beam transport line (LEBT) representsone of the most important challenges inaccelerating sciences. At low energy, it isdominated by the space-charge field created bythe beam itself, which is generally non-linearand can induce halo, emittance growth and beamlosses. But, a ion beam at low energypropagating in a LEBT ionises the residual gas.The particles (ions and electrons) fromionisation are repelled or confined radially bythe space charge field according to their chargesign.Other interactions take place in the LEBT,modifying the beam dynamics and the space chargecompensation time and the space-chargecompensation yield. In order to obtain predictiveand precise results quantitatively, numericalsimulations of beam transport in space-chargecompensation regime with WARP code havebeen realized taking account the most probablephysical interactions. Then, we will discuss theresults with comparisons with experimental dataobtained on the MYRRHA and IFMIF LEBT’s