Soutenance de DOCTORAT DUNIVERSITÉ SPÉCIALITÉ : Matériaux et Composants pour lÉlectronique...
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- Soutenance de DOCTORAT DUNIVERSIT SPCIALIT : Matriaux et
Composants pour llectronique Samir- CHELDA Simulation du parcours
des lectrons lastiques dans les matriaux et structures. Application
la spectroscopie du pic lastique multi-modes MM-EPES
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- 2 Plan Contexte de ltude Conclusions et perspectives Simulation
MC1 dcrivant le cheminement des lectrons lastiques Rsultats et
application une surface rugueuse Nouvelle simulation MC2 adapte
lchelle nanomtrique Rsultats et applications : - Surface
nanoporeuse(MC2-NP) - Modle analytique pour un analyseur RFA
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- 3 Contexte de ltude Comprhension approfondie des phnomnes
dinteractions des lectrons lastiques avec le substrat Simulation
informatique base sur la mthode Monte Carlo Contribution
linterprtation des rsultats exprimentaux (EPES) tude des surfaces
lchelle micro et nano-transformes
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- 4 Spectroscopie de rtrodiffusion lastique des lectrons E.P.E.S
(Elastic Peak Electron Spectroscopy) Mthode exprimentale : mesure
de lintensit lastique e = I e /I p Variation de lnergie primaire
des lectrons: multi-modes EPES (MM-EPES) IpIp IeIe IeIe Contexte de
ltude
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- 5 RFA : analyseur champ retardateur Faisceau dlectrons
incidents Angle dacceptante 55 in=0 in HSA tournant Faisceau
incidentHSA Diffrents analyseurs HSA: analyseur hmisphrique plan =0
in Faisceau dlectrons incidents Angle dacceptante 16
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- 6 Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Simulation MC1
dcrivant le cheminement des lectrons lastiques
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- 7 Base sur des interactions Coulombiennes avec les centres
diffuseurs. Cheminement des lectrons lastiques dans la matire tude
thorique dans le cadre de la mcanique quantique. A lissue de
linteraction : dviation de llectron dun angle dtermin au moyen dune
fonction f( ) (amplitude de diffusion). surface atome diffuseur
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 8 Dtermination des libres parcours moyens des lectrons T :
section diffrentielle totale de diffusion lastique N A : densit des
atomes 1 E. Bauer, J. Vac. Sci. Technol. 7 (1970) 3 2 S. Tanuma,
C.J. Powell, D.R. Penn, Surf. Interf. Anal. 21 (1994) 165 Loi de
Poisson Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Simulation MC1 Formule
de Bauer 1 Formule de TPP-2M 2
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- 9 Parcours de llectron stopp l i < l e : Interaction
inlastique l i > l e : Interaction lastique Calcul des angles de
diffusion ( ) : angle azimutal : angle de diffusion lastique
Distribution statistique uniforme sur [ ] Loi dont la fonction
densit de probabilit est f( ) y z x in n-1 n zz out l n-1 lnln -
Profondeur positive llectron continue son parcours dans le matriau
- Profondeur ngative llectron ressort de la surface Simulation MC1
Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2 Comparaison des distances l e et l i : nature de
linteraction
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- 10 N l : nombre dlectrons rflchis lastiquement N : nombre total
dlectrons ayant permis de raliser la simulation (10 7 lectrons) E p
: nergie primaire des lectrons incidents in : angle dincidence des
lectrons primaires ltat de surface de lchantillon tudier Simulation
MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats
MC2 Applications MC2 les angles dmission des lectrons lastiques
Dtermination du coefficient de rflexion lastique
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- 11 Rsultats de la simulation MC1 Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications
MC2
- Page 12
- 12 Dpendance nergtique nergie primaire des lectrons incidents
numro atomique Z Trs sensible: Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications
MC2
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- 13 Dpendance angulaire Simulation MC1 Rsultats MC1 Application
MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
Distribution dpend des angles dincidence et dmission in = 0 In E p
=500eV in = 45 in = 60
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- 14 Application de la simulation MC1 une surface rugueuse
lchelle micromtrique Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1
Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 15 Code de simulation Monte Carlo Surface Rugueuse (MC1-SR) :
adapt une surface possdant des crneaux triangulaires (H, ). Effet
de la rugosit de surface sur les mesures EPES 1. Apparition des
phnomnes dombrage. 2. Position du premier impact des lectrons sur
la pente du crneau. - Description de la rugosit de surface Plan
incident des lectrons primaires N Surface de rfrence H N : normale
la surface de rfrence N : normale la pente de droite N : normale la
pente de gauche in H Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1
Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Modle
gomtrique
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- 16 Simulation MC1-SR Dfinition de leffet dombrage direct et
indirect Ombrage direct Rgion 2 : Electrons dtectables Rgion 3 :
Electrons non dtects h Electrons primaires Surface de rfrence Rgion
1 : Electrons non dtects Ombrage indirect Simulation MC1 Rsultats
MC1 Application MC1 Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2
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- 17 e : surface rugueuse sans ombrage e : surface rugueuse avec
ombrage Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1 Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Simulation MC1-SR
Effet dombrage direct et indirect (H=6 m, =45) Si
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- 18 Visualisation de leffet dombrage YX Z Densit lastique stoppe
obtenue 200 eV sur une surface de silicium in = 0 Densit lastique
obtenue 200 eV sur une surface de silicium lincidence normale Z in
= 0 YX YX Z Surface plane Surface avec crneaux (H=6 m, =45)
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1 Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 in = 0 (H=6 m, =45) Simulation
MC1-SR
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- 19 h=0 h=1 YX Z Effet du point dimpact des lectrons sur le
crneau YX Z (H=6 m, =45) E p = 200 eV Si Simulation MC1 Rsultats
MC1 Application MC1 Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2 Simulation MC1-SR
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- 20 E= 200 eV Simulation MC1 dune surface plane 1 Simulation
MC1-SR dune surface rugueuse 1 (H=6 m, =45) Points exprimentaux
publis 2 pour une surface rugueuse 2 A. Jablonski, K. Olejnik, J.
Zemek, Electron spectros. Related. Phenom. 152 (2006) 100-106 Pour
une surface rugueuse: simulations et expriences en bon accord
0204060 Augmentation de lcart entre les 2 types de surface avec
langle dincidence des lectrons 1 S. Chelda, C. Robert- Goumet, B.
Gruzza, L. Bideux, G. Monier, Surf. Sci. 602 (2008)2114-2140 Si
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1 Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Simulation MC1-SR
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- 21 1. Diffusions lastiques avec les centres diffuseurs 2. Les
pertes inlastiques avec les lectrons libres Simulation MC1 :
Globalisation des phnomnes physiques Simulation MC1 Simulation MC2
Pourquoi? chelle Microchelle Nano
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- 22 tude phnomnologique diffrente permettant de mieux sparer ses
phnomnes physiques 1. densit dempilement de plans atomiques 2.
effets de surface Simulation MC1 Simulation MC2 Pourquoi? chelle
Microchelle Nano Simulation MC2 :
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- 23 Simulation MC2 adapte lchelle nanomtrique Simulation MC1
Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2
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- 24 lectrons rflchis Excitations de surface d lectrons incidents
Rgion de surface Rgion du volume Rgion du vide vnement inlastique
Diffusion lastique Description de la simulation MC2 adapte lchelle
nanomtrique Rgion de surface: 1- Probabilits dexcitation de surface
2- Nombres dexcitations de surface (1) (2) Centre diffuseurs:
Dfinition de la barrire de passage (diffusion lastique ou non) (3)
Entre deux plans atomiques: Pertes nergtiques lies des processus
inlastiques peuvent apparatre (diffusion inlastique ou non)
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 25 Rgion de surface Processus de pertes de surface Probabilit
quun lectron traverse la surface sans perte dnergie Probabilit de
plasmon de surface Pour des grands angles, Werner et al 2 a W est
un paramtre dpendant du matriau Gruzza et Pariset 1 Simulation MC1
Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2 2 W. S. M. Werner, W. Smekal, C. Tomastik, H.
Stori, Surf. Sci. 486 (2001) L461-466. 1 B. Gruzza, C. Pariset,
Phys. Scrip. 39 (1989) 508-512.
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- 26 Processus de pertes de surface Chen 1 : processus
stochastique de Poisson SEP (Surface Excitation Parameter)
Probabilit quun lectron traverse la surface sans perte dnergie
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Rgion de surface 1 Y. F. Chen,
Surf. Sci. 345 (1996) 213-221.
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- 27 Nombres dexcitations de surface Les probabilits 2 P et 3 P
sont ngligeables devant 1 P Augmentation des pertes de surface avec
langle dincidence des lectrons primaires Simulation MC1 Rsultats
MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2 Rgion de surface
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- 28 Rgion de volume Effets de volume: La rgion de volumePlans
atomiques cristallins Les centres diffuseursDistribus suivant une
structure bien dfinie Le processus inlastiqueEntre deux plans
atomiques La diminution du nombre d'lectrons lastiques Le
coefficient de transmission des couches i : le libre parcours moyen
inlastique d: la distance entre deux plans atomiques : langle du
faisceau lectronique. Simulation MC1 Rsultats MC1 Application
MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 29 Thorie de lEPES 1. une seule rtrodiffusion lastique pour la
majorit des lectrons primaires 2. les attnuations 2 des courants
primaires par chaque monocouche Le substrat est modlis par un
nombre infini de plans parallles Lexpression du e quand n
Pourcentage dlectrons rflchis lastiquement par 1ML La validit de
cette formule sappuie sur deux hypothses: Simulation MC1 Rsultats
MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
ApplicationsMC2
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- 30 Facteur dvnement lastique 1 S : l'aire de la surface de la
cellule atomique N : le nombre des centres de diffuseurs dans une
cellule T : la section efficace totale de diffusion lastique 1 B.
Gruzza, S. Chelda, C. Robert. Goumet, L. Bideux, G. Monier, Surf.
Sci. 604 (2010) 217-226. Passage de llectron : Y > X Diffusion
lastique : Y < X Dtermination des angles de diffusion ( ) Sans
changement de direction ( =0) Dfinition de la probabilit dvnement
lastique X CFC Simulation MC1 Rsultats MC1 Application
MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 31 Facteur dvnement lastique 1 1 B. Gruzza, S. Chelda, C.
Robert. Goumet, L. Bideux, G. Monier, Surf. Sci. 604 (2010)
217-226. Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Le plan (111) a la
plus forte probabilit dvnements lastiques
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- 32 1. la probabilit quun lectron perde de lnergie par
excitation de surface (Chen) 2. la probabilit de diffusion lastique
des lectrons avec les centres diffuseurs (X) 3. la probabilit
dvnement inlastique (1-) avec les lectrons libres entre deux plans
atomiques Simulation MC2 impose de connatre trois probabilits:
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Application MC2
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- 33 Rsultats de la simulation MC2 Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications
MC2
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- 34 La diffusion simple et multiple Toute linformation est
contenue dans une seule rtrodiffusion lastique in =0 e : diffusion
multiple Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 e : une seule
rtrodiffusion lastique e : deux ou plusieurs rtrodiffusions
lastiques
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- 35 1. La zone dchappement latrale: x z y Surface de lchantillon
lectrons incidents 80% des lectrons se sont chapps au mme point que
lentre du faisceau Llargissement transversal est quasi nul
Provenance des lectrons rflchis lastiquement Simulation MC1
Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2 Si(100)
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- 36 2. Profondeur atteinte la majorit des lectrons lastiques
provient des deux premires couches les lectrons lastiques pntrent
plus lintrieur du matriau et proviennent des 3-4 ML Simulation MC1
Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2
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- 37 Influence de lorientation cristallographique Simulation MC1
Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2 Le plan (111) a la plus forte probabilit dvnements
lastiques
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- 38 Influence des plasmons de surface e RFA : sans pertes de
surface e RFA : avec pertes de surface Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications
MC2 e RFA : mesures exprimentales
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- 39 Influence des plasmons de surface sur i i ne dpend pas de
lorientation cristallographiqu e Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications
MC2 i ( ) - Simulation de rfrence: pertes de surface 100% + i (
TPP-2M) i ( )
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- 40 Application 1: modle analytique pour un analyseur RFA
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 41 Modle dvelopp pour calculer e RFA est un facteur moyen de
transmission des couches pour un RFA. Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications
MC2 Probabilit quun lectron traverse la surface sans perte dnergie
lentre de lchantillon Probabilit quun lectron traverse la surface
sans perte dnergie la sortie de lchantillon
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- 42 Facteur moyen de transmission des couches pour un RFA
lissage des courbes k sera appel le facteur dappareillage du RFA
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
- Page 43
- 43 Vrification du facteur moyen de transmission des couches
Validation de la formule de lEPES base sur une srie gomtrique des 2
1ML 2ML 3ML Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 E p =1000 eV
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- 44 Probabilit de sortie moyenne des lectrons pour un RFA
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 45 Probabilit de sortie moyenne des lectrons pour un RFA
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 - en tenant compte que de
lexcitation de surface lentre de lchantillon : - sans plasmon de
surface : - en tenant compte que de lexcitation de surface la
sortie de lchantillon : - sans plasmon de surface :
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- 46 Probabilit de sortie moyenne des lectrons pour un RFA
Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation
MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 47 8% 5% 2% 1% Simulation MC1 Rsultats MC1 Application
MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Modle
final dvelopp pour calculer e RFA
- Page 48
- 48 Application 2: dtermination du libre parcours moyen
inlastique Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
- Page 49
- 49 Dtermination du libre parcours moyen inlastique ico pour le
Si(111) 1 S. Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn, Surf. Interf. Anal. 20
(1993) 77 2 S. Tanuma, T. Shiratori, T. Kimura, K. Goto, S.
Ichimura and C. J. Powell, Surf. Interf. Anal. 37 (2005) 833-845. 3
G. Gergely, S. Gurban and M. Menyhard, A. Jablonski, J. Surf.
Anal.15 (2008) 159-165 Gergely et al 3 Tanuma et al 2 Notre
simulation MC2 : Probabilit dexcitation de surface (Werner) :
Probabilit dexcitation de surface (Chen modifi a CH =3.2)
:Probabilit dexcitation de surface (Chen a CH =2.5) - Ralisation
dune surface propre - Ajustement de la simulation MC2 avec
lexprience Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 i ()
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- 50 Application 3: adaptation de la simulation MC2 une surface
de Si (111) nanoporeuse Simulation MC1 Rsultats MC1 Application
MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
- Page 51
- 51 Elaboration dchantillons nanoporeux de Si(111) 100 nm 100 nm
100nm 100nm Vue de la surface dun masqueVue sur la tranche dun
masque dpos sur la surface - masques nanoporeux : oxyde daluminium
(AAO) - diamtre des pores : environ 50 nm - distance entre les
centres de 2 pores conscutifs : 100 nm - paisseur du masque :
environ 500 nm Simulation MC1 Rsultats MC1 Application
MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 52 Elaboration dchantillons nanoporeux de Si(111) 70 nm 40nm
Image MEB sur la tranche dune surface de silicium E p = 2keV T = 4h
in = 0 Surface nanostructure aprs un bombardement ionique sous UHV
Bonne organisation des nanopores d=40 nm Simulation MC1 Rsultats
MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2
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- 53 Comparaison des mesures EPES exprimentales entre les
surfaces planes et nanoporeuses de Si(111) Lintensit lastique est
influence par la nano-transformation de la surface Simulation MC1
Rsultats MC1 Application MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2
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- 54 Programme de simulation MC2 adapt une surface NanoPoreuse
MC2-NP - Description de la morphologie de la surface d h N :
normale la surface 11 22 x - Quatre paramtres dfinissent cette
surface : h : la profondeur des pores ; d : le diamtre des pores ;
1 et 2 : les angles dombrages TR(%) est le taux de recouvrement de
la surface Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
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- 55 Influence de la profondeur des nanopores Moins dlectrons
ressortent des pores Lombrage augmente avec la profondeur e RFA :
surface plane (simulation MC2) e RFA : surface nanoporeuse
(simulation MC2-NP) Simulation MC1 Rsultats MC1 Application
MC1Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2
Simulation MC2-NP
- Page 56
- 56 Influence du diamtre des nanopores Si TR constant et le
diamtre augmente : e RFA : surface plane (simulation MC2) e RFA :
surface nanoporeuse (simulation MC2-NP) Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1Conclusion Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications
MC2 Simulation MC2-NP le nombre de pores diminue Coefficient de
rflexion lastique augmente
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- 57 Comparaison de la simulation MC2-NP avec les rsultats
exprimentaux - Ouverture des pores 40 nm - Profondeur 70 nm - Taux
de recouvrement 19 % - Les libres parcours moyens ico Simulation
MC1 Rsultats MC1 Application MC1Conclusion Simulation MC2 Rsultats
MC2 Applications MC2 Simulation MC2-NP Simulations et expriences en
bon accord
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- 58 Simulation MC1 Conclusions Simulation MC1 Rsultats MC1
Application MC1 Conclusions Simulation MC2 Rsultats MC2
Applications MC2 Energie primaire des lectrons Angles dincidence et
de collection de lanalyseur Numro atomique Z Rugosit de surface
lchelle micromtrique (simulation MC1-SR) Simulation MC2 Sparation
des deux phnomnes physiques Orientation cristallographique Plasmons
de surface Simulation MC1 Energie primaire des lectrons Angles
dincidence et de collection de lanalyseur Numro atomique Z Rugosit
de surface lchelle micromtrique (simulation MC1-SR):
- Page 59
- 59 Simulation MC1 Rsultats MC1 Application MC1 Conclusions
Simulation MC2 Rsultats MC2 Applications MC2 Influence des pertes
de surface sur les valeurs du i Validation de la formule EPES base
sur la srie gomtrique 2 Dveloppement dune formule analytique simple
pour un analyseur RFA Dtermination du libre parcours moyen
inlastique (200eV 600eV Si(111)) Dtection des nano-transformations
de surfaces grce la simulation MC2-NP Principaux rsultats:
Conclusions
- Page 60
- 60 Perspectives Dtermination de e 1RFA par dautres mthodes si
possibles exprimentales Evolution de la simulation: pour la prise
en compte des formes gomtriques 3D (pores, pyramides,.) pour
diffrentes structures (matriaux binaires, alliages,.) Simulation
MC1 Rsultats MC1 Application MC1 Conclusions Simulation MC2
Rsultats MC2 Applications MC2 diffrentes nergies primaires
diffrents chantillons tude prcise de la dtermination du libre
parcours moyen inlastique
- Page 61
- 61 Merci de votre attention