NRA et NRP : deux techniques d’analyse par réaction nucléaire, présentées en détail ci-dessous.
La NRA (Nuclear Reaction Analysis) et la NRP (Nuclear Resonance Profiling) exploitent toutes deux des réactions nucléaires induites par un faisceau d’ions légers de protons (p) ou deutons (d) sur les noyaux légers de la cible, pour doser des éléments (Li, B, C, N, O, F) avec une sélectivité isotopique inaccessible à la RBS. Ce sont néanmoins deux techniques distinctes, présentées séparément ci-dessous.
NRA, Nuclear Reaction Analysis
La NRA dose des éléments légers en identifiant la particule émise par une réaction nucléaire induite par le faisceau, plutôt qu’en analysant une simple diffusion élastique.
Principe physique
Quand le paramètre d’impact d’un ion léger incident sur un noyau léger (Z₂ < 16) est suffisamment petit, une réaction nucléaire se produit : un noyau composé instable se forme puis se décompose en un temps très court (10⁻¹⁶ à 10⁻¹⁸ s), émettant une particule chargée et/ou un photon γ. L’énergie de la particule émise dépend :
- Du « Q » de la réaction, caractéristique du couple isotope-réaction (donc de l’élément et de l’isotope présent, contrairement à la RBS)
- De la profondeur à laquelle a eu lieu la réaction (perte d’énergie du faisceau à l’aller)
Caractéristiques techniques
- Faisceau incident : p ou d, de quelques centaines de keV à quelques MeV
- Réactions typiques : ¹⁶O(d,p)¹⁷O, ¹⁴N(d,α)¹²C
- Détecteur : détecteur silicium, avec absorbant pour arrêter les ions incidents rétrodiffusés et n’observer que les produits de réaction
- Résolution en profondeur : de l’ordre de la centaine de nanomètres, limitée par la dispersion en énergie dans l’absorbant
Avantages
- Sélectivité isotopique, distingue ¹⁶O de ¹⁸O, ¹⁴N de ¹⁵N, là où la RBS ne voit que l’élément
- Très sensible aux éléments légers mal ou pas détectés en RBS classique (Li, B, C, N, O, F)
- Permet le traçage isotopique (ex. ¹⁸O comme marqueur de croissance d’oxyde)
Limitations
- Sections efficaces complexes, propres à chaque réaction : nécessitent des échantillons de référence bien caractérisés
- Résolution en profondeur limitée à la centaine de nm par la dispersion en énergie dans l’absorbant
Applications typiques sur SAFIR
- Dosage de l’oxygène et du carbone dans des couches minces d’oxyde
- Détermination de la stœchiométrie de nitrures (Si₃N₄) via les réactions sur ¹⁴N, ²⁸Si et ²⁹Si
- Traçage isotopique de la croissance d’oxydes et de la diffusion d’oxygène
NRP, Nuclear Resonance Profiling
La NRP exploite des réactions nucléaires présentant une résonance étroite de section efficace pour obtenir des profils de concentration en profondeur avec une résolution proche du nanomètre, une des meilleures résolutions de toute la microanalyse nucléaire. La méthode a été développée dans les années 1980 par G. Amsel et ses collaborateurs, au sein de l’équipe qui allait donner naissance à SAFIR.
Principe physique
Certaines réactions nucléaires présentent un ou plusieurs pics fins (largeur < 2 keV, parfois < 100 eV) dans leur section efficace. En balayant l’énergie du faisceau incident autour de cette résonance, on ne détecte des particules émises que lorsque les ions, ralentis par leur parcours dans la matière, atteignent exactement l’énergie de résonance à une profondeur donnée. La courbe d’excitation obtenue, le taux de comptage en fonction de l’énergie du faisceau, est ainsi l’image directe du profil de concentration de l’isotope recherché :
- Chaque énergie de faisceau sonde une profondeur précise, donnée par le pouvoir d’arrêt du matériau
- La résolution en profondeur dépend de la largeur de la résonance et de la dispersion en énergie du faisceau incident, pas de la résolution du détecteur, contrairement à la RBS ou à la NRA classique
Caractéristiques techniques
- Faisceau incident : protons ou deutons, avec une très faible dispersion en énergie
- Réaction de référence : ¹⁸O(p,α)¹⁵N, résonance à 151 keV, largeur à mi-hauteur < 100 eV
- Résolution en profondeur : très bonne résolution en profondeur près de la surface
- Profondeur analysée : quelques centaines de nanomètres, la résolution se dégradant avec la profondeur du fait de la dispersion en énergie du faisceau incident dans la matière
Avantages
- Très bonne résolution en profondeur près de la surface, sans nécessiter de détecteur haute résolution
- Traçage isotopique direct (ex. ¹⁸O comme marqueur de croissance d’oxyde) avec une précision nanométrique
- Théorie stochastique bien établie (Amsel et al.) permettant de reconstruire le profil de concentration à partir de la courbe d’excitation mesurée
Limitations
- Exige qu’une résonance étroite et exploitable existe pour l’isotope recherché, toutes les réactions ne s’y prêtent pas
- Nécessite un faisceau de très faible dispersion en énergie pour exploiter pleinement les résonances les plus étroites
- La résolution se dégrade rapidement au-delà des tout premiers nanomètres/dizaines de nanomètres
Applications typiques sur SAFIR
- Profils de concentration d’oxygène-18 dans la silice, par la résonance à 151 keV de ¹⁸O(p,α)¹⁵N
- Étude fine de la cinétique de croissance d’oxydes ultraminces, couche après couche
- Traçage isotopique de la diffusion d’oxygène près de la surface
Complémentarité avec les autres techniques
La NRA et la NRP complètent la RBS et l’ERDA pour les éléments légers (du lithium au fluor) que la RBS distingue mal, en apportant une sélectivité isotopique qu’aucune des deux autres techniques ne peut offrir seule.
Publications de référence
NRA, J. Siejka, J.P. Nadai, G. Amsel, « A Study of the Oxygen Growth Laws of Anodic Oxide Films on Aluminum and Tantalum Using Nuclear Microanalysis of O16 and O18 », Journal of The Electrochemical Society, vol. 118, n°5, p. 727, 1971. DOI : 10.1149/1.2408154
NRP, A. L’Hoir, J.J. Ganem, I. Trimaille, I.C. Vickridge, « Direct measurement of molecular breakup dynamics and vicinage effect of swift proton clusters using narrow nuclear resonance profiling », Nuclear Instruments and Methods B, 2010. Voir sur HAL