C'est en 1925 qu'Auger a mis en évidence le mode particulier de désexcitation non radiative auquel son nom est attaché. A la suite d'une excitation suffisamment énergique, un atome peut être porté dans un état excité comportant un trou sur un niveau électronique interne d'énergie E0. Au bout d'un temps assez court (de 1'ordre de 10-14s), une désexcitation se produit par transition d'un électron d'un niveau d'énergie supérieure E1 sur le niveau profond. L'énergie ainsi libérée peut provoquer 1'émission d'un photon X ou gamma d'énergie hv =E0-E1; c'est là le mode le plus fréquent de désexcitation des atomes lourds dont le rendement de fluorescence est assez élevé. Mais il peut aussi se faire qu'un second électron placé sur un niveau d'énergie E2 acquière l'énergie libérée par la désexcitation et soit ainsi éjecté de l'atome avec une énergie cinétique égale à E0-E1-E2. Ce dernier mode de désexcitation, dit non radiatif, est le plus probable pour les atomes d'éléments légers dont le rendement de fluorescence est faible. La mesure de l'énergie de l'électron éjecté permet d'identifier la nature de l'atome émetteur et constitue donc une analyse qualitative. Selon l'usage courant, nous réserverons dans ce mémoire le nom d'effet Auger au cas où le trou initial se situe sur un niveau interne dénommant auto-ionisation la désexcitation non radiative dans laquelle le trou initial se trouve sur un niveau externe. Différentes méthodes peuvent etre utilisées pour former le trou initial. Historiquement, c'est par irradiation de l'argon avec des photons X que 1'effet Auger a été mis en évidence, mais pour atteindre les niveaux les plus profonds sur les atomes lourds, il faut utiliser des rayons X très durs, voire des photons gamma. Bien entendu, lors de l'irradiation X, des photoélectrons sont émis en même temps que les électrons Auger. L'étude fine du spectre des électrons ainsi émis est à la base du procédé d'analyse superficielle développé par Siegbahn et al. et connu sous le nom d'ESCA. Le bombardement électronique permet aussi la formation de trous dans les niveaux profonds et donc l'émission d'électrons Auger. C'est ainsi que Harris a proposé et expérimenté une autre méthode d'analyse superficielle appelée "Spectroscopie Auger" et qui est l'objet, depuis quelques années, d'un développement très rapide, dans le dessein, en particulier, de rendre l'analyse quantitative. Enfin, lors du bombardement par des ions d'une énergie assez élevée sont aussi émis, (quelques kiloélectron-volts), des électrons Auger à côté de rayons X, comme résultat de la création de trous sur un niveau profond des atomes de la cible. L'effet a d'abord été mis en évidence sur les gaz, puis sur les métaux légers. Plus récemment, une technique plus raffinée a permis d'observer les électrons Auger émis par bombardement ionique des métaux de transition de la première série. Le mécanisme de la formation du trou profond par bombardement ionique a été étudié théoriquement par Joyes dans le cas d'atomes à l'intérieur d'un métal. Lors de la collision, un niveau moléculaire, issu de deux niveaux atomiques liés, voit son énergie croître jusqu'à atteindre le continuum des états libres au-dessus du niveau de Fermi. Un électron peut ainsi passer sur un état non occupé de la bande de conduction et un trou peut alors subsister sur l'un des atomes après séparation. Le temps de vie de l'état excité comportant un trou sur le niveau 2p d'un atome d'aluminium dans le métal a été calculé et comparé au temps moyen de sortie d'une particule déplacée. Il ressort du calcul que le temps de désexcitation est suffisamment long pour que la particule déplacée puisse éventuellement sortir du métal, généralement neutre, (la vitesse des électrons de conduction voisins du niveau de Fermi est en effet très supérieure à la vitesse moyenne d'éloignement des particules éjectées) en conservant le trou interne. L'effet Auger peut alors avoir lieu à l'extérieur du métal avec formation d'un ion secondaire. Bien entendu, la majeure partie des électrons Auger sont émis alors que la particule est à l'intérieur du métal. Le libre parcours moyen de ces électrons n'excédant pas quelques couches atomiques, les électrons sont ralentis avant leur sortie et participent à l'émission électronique secondaire de la cible, selon la théorie largement admise de Parilis et Kishinevskii.\ La question à laquelle nous avons essayé de donner une réponse était, entre autres, de rechercher la proportion des électrons Auger issus de désexcitations ayant eu lieu à l'extérieur du métal et qui sont les seules à produire des ions secondaires cinétiques, alors que la majeure partie des électrons Auger ont vraisemblablement pour origine des désexcitations survenues à l'intérieur du métal et au voisinage immédiat de la surface : ces désexcitations ne conduisent pas une ionisation de particule en mouvement. L'étude de la largeur des pics doit permettre de répondre à cette question puisque les électrons émis à l'extérieur du métal formeront un pic fin dont la largeur peut être calculée à partir du temps de vie de l'état excité (10-14s). La largeur de ce pic est alors égale à DE=h/2piDt=10-20J, c'est-à-dire qu'elle est de l'ordre de 1/10 d'électron-Volt. La répartition angulaire des électrons doit aussi permettre de séparer les contributions des désexcitations internes et des désexcitations externes, car les électrons émis à l'extérieur du métal doivent présenter une distribution isotrope alors que ceux qui viennent de l'intérieur doivent suivre une loi proche de la loi en cosinus. D'autre part, seuls les électrons provenant de désexcitations internes peuvent ressentir l'influence des symétries du réseau lors de l'émission Auger à partir d'un monocristal. Nous avons donc construit, par modification d'un appareil existant déjà au laboratoire, un analyseur électronique nous permettant étudier l'émission électronique secondaire sous bombardement ionique dans le plus grand domaine angulaire possible (angle d'émission et angle azimutal) et pour des énergies allant jusqu'à quelques centaines d'électron-Volts : sur les métaux légers, l'énergie des électrons Auger recueillis sous bombardement ionique varie en effet dans le domaine de 40 à 120 eV.

Les premières observations de l'émission d'électrons Auger au cours du bombardement ionique d'une cible solide remontent à 1965 (Snoek et al. 11) dans le cas d'électrons caractéristiques des particules projectiles, et à 1967 (Hennequin et al. 12) dans le cas d'électrons caractéristiques des atomes cibles. Il existe actuellement une soixantaine de publications sur le sujet, mais les publications étrangères n'apparaissent qu'à partir de 1974, certains auteurs semblant même avoir incidenment redécouvert le phénomène. L'émission Auger lors de collisions en phase gazeuse a fait aussi l'objet de nombreuses études durant la même période. La connaissance précise des conditions mécaniques de la collision et l'existence d'états électroniques bien définis, tant avant qu'après la désexcitation par effet Auger, facilitent considérablement l'interprétation des expériences. La théorie de Fano et Lichten 1960 est maintenant bien établie : certaines des orbitales moléculaires formées lors de la collision de deux particules sont promues vers des niveaux moins liés et, après interaction avec une orbitale incomplète, peuvent conduire à la formation d'un trou électronique interne dans l'un ou l'autre des partenaires. Plus généralement, ce sont les progrès récents de la physique des collisions qui permettent maintenant de comprendre l'ensemble du mécanisme de l'émission Auger à partir des solides. Il existe naturellement un lien entre -l'émission d'électrons Auger et l'émission d'ions secondaires durant le bombardement ionique d'un solide. Ce lien est même direct dans le cas des ions rapides ou multichargés qui sont formés par désexcitation Auger, à l'extérieur de la cible, d'atomes éjectés ayant conservé un trou électronique interne : c'est le modèle de l'émission cinétique de Joyes 1975. C'est d'ailleurs à la suite d'une suggestion de Castaing, et pour interpréter l'émission d'ions secondaires, que l'étude de ce lien a été entreprise tant sur le plan expérimental que théorique. L'émission Auger permet en outre d'atteindre une meilleure connaissance des collisions les plus violentes à l'intérieur d'un solide, et c'est dans cet esprit que le présent travail a été réalisé. Plus précisément, nous avons cherché à mieux déterminer dans quelle mesure les conclusions théoriques de la physique des collisions peuvent être utilisées pour rendre compte des résultats expérimentaux relatifs à l'émission Auger des solides et prévoir l'influence de la nature de la cible et du projectile sur les caractéristiques de cette émission. D'abord un rappel théorique nécessaire à l'interprétation des résultats expérimentaux, nous suivrons les étapes conduisant à l'émission d'un électron Auger à la suite de l'impact de l'ion primaire sur les atomes de la cible : la création d'une cascade de collisions dans le solide, l'excitation d'un niveau électronique interne au cours d'une collision violente, la désexcitation par effet Auger au cours de la migration de la particule excitée et enfin la sortie de l'électron à l'extérieur de la cible. Puis la description des propriétés des dispositifs expérimentaux que nous avons réalisés pour cette étude. Ensuite, dans les deux chapitres suivants, nous étudierons les collisions responsables de l'émission des électrons Auger caractéristiques soit du projectile, soit de la cible. Dans le premier cas (chapitre III), nous nous intéresserons essentiellement à l'émission des électrons Auger de l'argon lors du bombardement de diverses cibles par des ions Ar d'énergie comprise entre 2 et 16 keV et pourrons montrer ainsi le bon accord entre les expériences sur les solides et les interprétations théoriques fondées sur les collisions atomiques et la promotion des orbitales moléculaires. Une fois établi cet accord, il nous sera possible (chapitre IV) d'étendre cette interprétation à l'émission des électrons Auger caractéristiques de la cible, pour lesquels la situation est compliquée par le fait que l'énergie de collision est mal connue et qu'un doute peut subsister sur la nature de la collision responsable de l'excitation : collision symétrique entre deux atomes identiques de la cible ou collision asymétrique entre l'ion incident et l'un des atomes de la cible. Dans le cas des métaux légers, magnésium et aluminium, nous montrerons que la proportion des collisions asymétriques est une fonction croissante de l'énergie des ions incidents, mais reste faible dans notre domaine d'énergie (2 - 16 keV). Les résultats que nous présentons ont pour la plupart fait l'objet de publications antérieures.

Motiviert durch die in der Literatur bisher unvollständige Beschreibung der Relaxation hochgeladener Ionen vor Festkörperoberflächen, besonders in Bezug auf den Eintrag potenzieller Energie in Oberflächen und der Aufstellung einer vollständigen Energiebilanz, werden in dieser Arbeit komplementäre Studien präsentiert, die sowohl die Ermittlung des Anteils der deponierten potenziellen Energie als auch die Ermittlung der emittierten potenziellen Energie ermöglichen. Zum Einen wird zur Bestimmung des eingetragenen Anteils der potenziellen Energie eine kalorimetrische Messanordnung verwendet, zum Anderen gelingt die Bestimmung der emittierten potenziellen Energie mittels doppeldifferenzieller Elektronenspektroskopie. Für vertiefende Studien werden Materialien unterschiedlicher elektronischer Strukturen (Cu, n-Si, p-Si und SiO2 ) verwendet. Im Falle der Kalorimetrie wird festgestellt, dass die eingetragene potenzielle Energie linear mit der inneren potenziellen Energie der Ionen wächst. Dabei bleibt das Verhältnis zwischen der eingetragenen potenziellen Energie und der inneren potenziellen Energie nahezu konstant bei etwa (80 ± 10) %. Der Vergleich von Cu, n-Si und p-Si zeigt im Rahmen der Messfehler keine signifikanten Unterschiede in diesem Verhältnis. Es liegen jedoch deutlich unter jenem von SiO2. Die Elektronenspektroskopie liefert ein dazu komplementäres Ergebnis. Für Cu und Si konnte ebenfalls eine lineare Abhängigkeit zwischen emittierter Energie und innerer potenzieller Energie festgestellt werden. Das Verhältnis wurde hierfür bis zum Ladungszustand bis Ar7+ zu etwa (10 ± 5) % unabhängig vom Ladungszustand bestimmt. Im Gegensatz dazu liefert SiO2 eine nahezu verschwindende Elektronenausbeute. Für Ar8+ und Ar9+ steigt die Elektronenausbeute wegen der Beiträge der LMM-Augerelektronen für alle untersuchten Materialien leicht an. Der Anteil der emittierten Energie eines Ar9+ -Ions wird für Cu und Si zu etwa 20 % und für SiO2 zu etwa 10 % angegeben. Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den Kalorimetrieexperimenten und erfüllen die Energiebilanz. Zusätzlich werden die experimentellen Ergebnisse mit einer Computersimulation modelliert, welche auf dem erweiterten dynamischen klassischen Barrierenmodell basiert. Aus diesen Rechnungen kann zudem jener Anteil der deponierten potenziellen Energie erhalten werden, welcher durch Bildladungsbeschleunigung vor der Oberfläche in kinetische Energie umgewandelt wurde. / Motivated by the incomplete scientific description of the relaxation of highly charged ions in front of solid surfaces and their energy balance, this thesis describes an advanced complementary study of determining deposited fractions and re-emitted fractions of the potential energy of highly charged ions. On one side, a calorimetric measurement setup is used to determine the retained potential energy and on the other side, energy resolved electron spectroscopy is used for measuring the re-emitted energy due to secondary electron emission. In order to study the mechanism of energy retention in detail, materials with different electronic structures are investigated: Cu, n-Si, p-Si and SiO2 . In the case of calorimetry, a linear relationship between the deposited potential energy and the inner potential energy of the ions was determined. The total potential energy which stays in the solid remains almost constant at about (80 ± 10) %. Comparing the results of the Cu, n-Si and p-Si targets, no significant difference could be shown. Therefore we conclude that the difference in energy deposition between copper, n-doped Si and p-doped Si is below 10 %, which is significantly lower than using SiO2 targets. For this purpose, electron spectroscopy provides a complementary result. For Cu and Si surfaces, an almost linear increase of the re-emitted energy with increasing potential energy of the ion up to Ar7+ was also observed. The ratio of the re-emitted energy is about (10 ± 5) % of the total potential energy of the incoming ion, almost independent of the ion charge state. In contrast, an almost vanishing electron emission was observed for SiO2 and for charge states below q=7. For Ar8+ and Ar9+, the electron emission increased due to the contribution of the projectile LMM Auger electrons and the re-emitted energy amounts up to 20 % for Cu and Si and around 10 % for SiO2 .These results are in good agreement with the calorimetric values. In addition, the experimental results are compared with computer simulations based on the extended dynamical over-the-barrier model. From these calculations, the ratio of deposited potential energy that is transformed into kinetic energy before deposition due to the image charge acceleration can be maintained.