FR3126060A1 - Procédé pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse et dispositif associé - Google Patents

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Vincent Huc
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Abstract

Procédé pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse et dispositif associé L’invention concerne un procédé de production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse à base d’une composition comprenant au moins un polymère et au moins une espèce précurseur du faisceau. L’invention concerne encore dispositif adapté à la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

Procédé pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse et dispositif associé
La présente invention concerne un procédé pour la production d’un faisceau d’espèces chimiques chargées en phase gazeuse. L’invention concerne également un dispositif adapté à la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Art antérieur
Les faisceaux ioniques en phase gazeuse sont connus et trouvent de nombreuses applications, notamment pour l’analyse de surfaces à haute résolution, par exemple par SIMS pour spectrométrie de masse des ions secondaires (en anglais «Secondary Ion Mass Spectrometry»). Ces faisceaux sont également utilisés pour l’imagerie à haute résolution ou encore pour la structuration à haute résolution, par exemple par enlèvement ou dépôt localisé de matière, etc…
Il existe à l’heure actuelle trois grandes familles de dispositifs permettant la production d’ions en phase gazeuse.
Un premier type de source, dit de type «electrospray »,se base sur la technique ESI pour ionisation par électropulvérisation (en anglais «Electrospray Ionization»). Cette technique repose sur la préparation d’une dispersion de gouttelettes chargées électriquement. Cette première technologie répond à des besoins spécifiques dans le domaine de la chimie analytique. Par exemple pour la spectrométrie de masse, elle permet l’obtention d’ions moléculaires intacts. Cette première technologie ne permet cependant pas la production de faisceaux d’ions micrométriques stables. En particulier, le niveau de focalisation de ces faisceaux n’est pas suffisant.
Un deuxième type de source repose sur la technologie SIS pour « ionisation de surface » (en anglais «Surface IonizationSource »). Le principe de fonctionnement de ces dispositifs est le suivant : une surface métallique ou en un alliage métallique est chauffée à haute température et sous pression réduite en présence d’un matériau à ioniser introduit sous forme gazeuse. L’interaction des atomes du matériau à ioniser avec la surface chauffée conduit à leur ionisation. Les ions générés sont ensuite extraits de la source puis focalisés. Cette technique est particulièrement adaptée à la production de faisceaux d’ions alcalins (ex : ions césium Cs+) et/ou alcalino-terreux et/ou plus rarement halogènes (ex : ions iodures I-). Ce type de source nécessite cependant des équipements de chauffage complexes afin de maintenir sous forme gazeuse l’espèce chimique à ioniser. De plus, le choix du matériau à ioniser est limité en raison d’une part du besoin de l’introduire sous forme gazeuse et d’autre part de la réactivité nécessaire.
Un troisième type de source repose sur l’utilisation de matériaux liquides conducteurs. Connue sous la désignation LMIS pour Source d’Ions de Métal Liquide (en anglais «Liquid Metal Ion Sources»), son principe de fonctionnement est représenté sur la . La représente un dispositif 1 de type LMIS dans lequel un métal liquide 2 (par exemple du gallium) mouille une pointe métallique 3 portée à un potentiel élevé par rapport à un extracteur 4 placé à une faible distance de la pointe métallique 3. Un fort champ électrique appliqué à l’extrémité 5 de la pointe 3 conduit à l’ionisation du métal liquide. Les espèces chimiques 6 ainsi produites peuvent ensuite être focalisées et utilisées pour impacter une cible. Ce type de source est notamment décrit par Jacques Gierak, Focused Ion Beam Technology and Ultimate Applications,Semiconductor Science and Technology, 24(4) :43001, 2009. Elles sont aujourd’hui très utilisées pour l’analyse et la structuration de surface à l’échelle nanométrique (sonde FIB pour Source Ionique Focalisée en anglais «Focused Ion Beam»). Ces sources trouvent également de nombreuses applications dans le domaine de la microélectronique et sont utilisées partout dans le monde. Son principe de fonctionnement peut par ailleurs être généralisé à l’utilisation d’autres matériaux liquides conducteurs. De tels dispositifs sont notamment décrits dans US 6,337,540, US 8,030,621 et US 9,704,685. Ces sources d’ions sont alors désignées sous le sigle ILIS pour source d’ions de liquide ionique (en anglais« Ionic Liquid Ion Sources»). Une autre variante utilise des sels inorganiques fondus à haute température (Source MiLICIS pour source d’ions de liquide ionique microscopique, en anglais «Microscopic Liquid Ionic Compound Ion Source»). De tels dispositifs sont notamment décrits dans US 2010/0181493 A1. Ces technologies basées sur des sources à liquides conducteurs présentent de nombreux avantages, tels qu’une grande brillance (i.e.une faible surface d’émission, une distribution étroite de vitesse des ions formant le faisceau et une focalisation importante) et une longue durée de vie. Ces technologies sont toutefois limitées dans le choix des ions qu’il est possible de générer. Par ailleurs, les températures de fonctionnement élevées des sources LMIS et MiLICIS restreignent le choix des ions qu’il est possible d’obtenir. Seuls certains métaux, sels ou combinaisons eutectiques sont accessibles par ces deux méthodes. Les sources ILIS ne permettent quant à elles que d’émettre des ions à partir d’un composé de départ de type liquide ionique, ce qui n’est pas toujours possible. Enfin, il est difficile, voire impossible, de prévenir l’émission, dans le faisceau ionique, de gouttelettes des espèces ioniques de départ.
Buts de l’invention
Il existe donc le besoin de résoudre les problèmes techniques précités.
En particulier, la présente invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir un nouveau procédé permettant de produire, de manière simple, des faisceaux d’une très large variété d’espèces chargées, dans des conditions aussi douces que possible, tout en permettant de prévenir la formation de gouttelettes chargées.
En particulier, la présente invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir un nouveau procédé dont la mise en œuvre permet de générer un faisceau d’espèces chimiques complexes, notamment de nanoparticules chargées.
La présente invention repose sur un procédé de fabrication d’un faisceau d’espèces chimiques chargées sous forme gazeuse dans lequel l’espèce précurseur du faisceau est associée à un polymère, le polymère permettant de séparer les espèces chargées avant leur extraction/accélération pour former un faisceau d’espèces chimiques chargées sous forme gazeuse.
Le procédé selon l’invention permet de résoudre l’ensemble des problèmes techniques décrits ci-dessus.
Le procédé selon l’invention est avantageux en ce qu’il permet la préparation de faisceaux d’espèces chimiques chargées de nature chimique variée. Il permet en particulier la production de faisceaux d’ions monoatomiques, de molécules chargées complexes ou encore de nanoparticules chargées.
Le procédé selon l’invention est également avantageux en ce qu’il est mis en œuvre à une température réduite, par rapport aux procédés de l’art antérieur. En particulier, selon certains modes de réalisation, le procédé de l’invention est efficace à température ambiante.
Le procédé selon l’invention est avantageux en ce qu’il permet de sélectionner avec précision la ou les espèces chimiques à extraire et ce grâce au choix spécifique d’une part du polymère et d’autre part du composé précurseur utilisé.
Le procédé selon l’invention est également avantageux en ce qu’il permet de réduire significativement, voire d’empêcher, l’émission de gouttelettes de la composition précurseur.
L’invention concerne tout d’abord un procédé pour la production d’un faisceau d’une ou de plusieurs espèces chimiques chargées en phase gazeuse, ce procédé comprenant :
1) la fourniture d’un dispositif comprenant :
- une zone d’émission dudit faisceau en contact avec une composition comprenant au moins un polymère et au moins une espèce précurseur du faisceau, et
- une zone de réception dudit faisceau,
2) optionnellement, la mise sous vide du dispositif, de préférence à une pression inférieure ou égale 10-5hPa, plus préférentiellement à une pression inférieure ou égale à 10-6hPa, et
3) la production du faisceau.
L’invention concerne encore un dispositif adapté à la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
De préférence, le dispositif selon l’invention comprend :
- une zone d’émission du faisceau en contact avec une composition comprenant au moins un polymère et au moins une espèce précurseur d’un faisceau d’espèces chimiques chargées en phase gazeuse,
- une zone de réception du faisceau, et
- de manière optionnelle, des moyens permettant d’induire une différence de potentiel entre ladite zone d’émission et ladite zone de réception.
L’invention concerne en outre l’utilisation d’une composition comprenant au moins un polymère et au moins une espèce précurseur d’un faisceau d’espèces chimiques chargées en phase gazeuse dans un dispositif pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse, de préférence tel que défini ci-dessus et de manière détaillée ci-dessous, ou dans un procédé pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse, de préférence tel que défini ci-dessus et de manière détaillée ci-dessous.
L’ensemble des paragraphes suivants présentent des variantes et des modes de réalisations préférés s’appliquant à la fois au procédé, au dispositif et à l’utilisation selon l’invention tels que définis ci-dessus.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend, entre les étapes 1) et 2), une étape intermédiaire d’application d’une différence de potentiel entre la zone d’émission et la zone de réception du faisceau.
De préférence, la zone d’émission est chauffée à une température allant de 15°C à 600°C, de préférence de 20°C à 300°C.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend un réservoir permettant de contenir la composition.
Selon un premier mode de réalisation, la ou les espèces précurseurs du faisceau sont sous la forme d’un sel, en association avec un contre-ion.
De préférence, selon ce mode de réalisation, le polymère comprend des groupements polaires en interaction électrostatique avec ledit contre-ion.
Selon un second mode de réalisation, le polymère comprend des groupements chargés et l’espèce précurseur du faisceau est un contre-ion desdits groupements chargés du polymère.
De préférence, selon ce second mode de réalisation, les groupements chargés du polymère sont formés par réticulation du polymère, de préférence par réticulation covalente du polymère.
Plus préférentiellement, l’espèce précurseur du faisceau est formée au cours de la réaction réticulation du polymère, de préférence par décomposition d’un agent réticulant.
Selon une première variante, l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi : des ions monoatomiques, des molécules chargées, des nanoparticules chargées et l’un quelconque de leurs mélanges.
De préférence, selon cette première variante, l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi des ions monoatomiques, de préférence parmi les ions césium Cs+, les ions iodures I-et l’un quelconque de leurs mélanges.
Selon une seconde variante, l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi des ions pluriatomiques, de préférence sont les ions nitrate NO3 -, les ions triiodures I3 -, les ions tribromures Br3 -, les ions perchlorate ClO4 -, les ions azotures N3 -et l’un quelconque de leurs mélanges.
Selon une troisième variante, l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi des nanoparticules, de préférence parmi des nanoparticules métalliques, des nanoparticules métalloïdes, des nanoparticules carbonées, des nanoparticules semi-conductrices et l’un quelconque de leurs mélanges.
Figures
La représente un schéma d’un dispositif LMIS selon l’art antérieur.
La représente un schéma d’un dispositif selon l’invention.
La représente la zone d’émission d’un dispositif selon l’invention selon un premier mode de réalisation.
La représente la zone d’émission d’un dispositif selon l’invention selon un second mode de réalisation
La représente les résultats obtenus par spectrométrie de masse de la cible en or à la fin de l’exemple 1.
La représente les résultats obtenus par spectroscopie photo-électronique X de la cible en or à la fin de l’exemple 1.
La représente les résultats obtenus par spectrométrie de masse de la cible en argent à la fin de l’exemple 2.
La représente les résultats obtenus par analyse dispersive en énergie de la surface de la pointe en tungstène à la fin de l’expérience 3.
La représente les résultats obtenus par analyse dispersive en énergie de la surface du réservoir à la fin de l’expérience 3.
La représente les résultats obtenus par analyse dispersive en énergie de la surface de la cible à la fin de l’expérience 3.
La représente les résultats obtenus par spectroscopie photoélectronique X de la surface de la zone de réception à la fin de l’expérience 4 (courbe 1), du polymère de départ NAFION®.Cs (courbe 2) et d’un échantillon de carbonate de césium Cs2CO3 (courbe 3).
Un dispositif selon l’invention est représenté sur la .
Le dispositif 10 comprend une zone d’émission 12 et une zone de réception 14 d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse 26. La zone d’émission 12 est constituée d’une première électrode 16 et d’une électrode extractrice 18. La première électrode 16 est revêtue d’une composition précurseur 20 comprenant au moins un polymère et au moins un composé précurseur du faisceau (non-représentés). La composition précurseur 20 est placée dans un réservoir 22, présentant la forme d’un capillaire centré autour de la première électrode 16. L’électrode extractrice 18 présente la forme d’un anneau. Elle est placée face à la première électrode 16, centrée par rapport à l’extrémité de la première électrode 16, de manière à permettre le passage du faisceau d’espèces chargées à travers l’électrode extractrice 18. Le dispositif 10 est également équipé de moyens 24 permettant d’induire une différence de potentiel entre la première électrode 16 et l’électrode extractrice 18 conduisant à la production du faisceau 26.
La zone de réception 14 comprend une troisième électrode 28, disposée face à l’extrémité de la première électrode 16. Le dispositif comprend enfin des moyens 30 permettant d’induire une différence de potentiel entre la zone d’émission 12 et la troisième électrode 28 permettant de focaliser le faisceau 26 en direction de la zone de réception 14.
La représente la zone d’émission d’un dispositif selon l’invention selon un premier mode de réalisation.
La zone d’émission 12 comprend un élément 32 permettant de maintenir un réservoir 22 présentant la forme d’un capillaire. Une pointe 34 traverse le réservoir 22 de part en part selon l’axe central du réservoir 22 de sorte que l’extrémité 36 de la pointe 34 fasse saillie par rapport au réservoir 22. La composition précurseur 20 est placée entre la pointe 34 et la surface intérieure du réservoir 22. Des moyens de chauffage 38 sont disposés autour du réservoir 22. Une première électrode (non-représentée) est reliée à la pointe 34.
L’extrémité 36 de la pointe 34 constitue ainsi l’extrémité 40 de la zone d’émission 12 du dispositif selon l’invention.
La représente la zone d’émission d’un dispositif selon l’invention selon un second mode de réalisation.
La zone d’émission 12 comprend un élément 32 permettant de maintenir un réservoir 22 présentant la forme d’un capillaire. Une pointe 34 est placée au cœur du réservoir 22 selon l’axe central du réservoir 22. Contrairement à la , la pointe 34 ne traverse pas le réservoir 22. L’extrémité 36 de la pointe 34 se situe ainsi à l’intérieur du réservoir 22. La composition précurseur 20 est placée entre la pointe 34 et la surface intérieure du réservoir 22 et s’étend le long de l’axe central du réservoir de manière à faire saillie par rapport au réservoir 22. Des moyens de chauffage 38 sont disposés autour du réservoir 22. Une première électrode (non-représentée) est reliée à la pointe 34.
L’extrémité 40 de la zone d’émission 12 est ainsi constituée par la zone où la composition 20 fait saillie par rapport au réservoir 22. L’extrémité 36 de la pointe 34 est en retrait par rapport à l’extrémité 40 de la zone d’émission 12.
Exemples
Les exemples qui suivent sont donnés à titre d'illustration et ne sauraient en aucune façon limiter la portée de l'invention.
Dans les exemples qui suivent, tous les pourcentages sont donnés en masse, sauf indication contraire, et la température est exprimée en degré Celsius sauf indication contraire, et la pression est la pression atmosphérique, sauf indication contraire.
Exemple 1– Source d’ions iodures à température ambiante et pression ambiante
Le dispositif
Le dispositif utilisé correspond au dispositif de la à l’exception qu’il ne comprend pas de troisième électrode.
La première électrode est constituée d’un fil en tungstène W de diamètre 0,15 mm.
L’électrode extractrice est constituée d’une plaque d’aluminium servant également de support de la zone de réception.
Le réservoir est constitué d’un capillaire en verre de 200 µm de diamètre interne.
La composition est un mélange d’iodure de césium CsI et de polyéthylène glycol PEG600 (1/10 en poids de CsI soit une concentration de 0.43 mol.L-1; soit 23% en moles de CsI par PEG600).
Le réservoir est rempli avec la composition. Le fil de tungstène W est ensuite introduit dans le capillaire jusqu’à une distance de 3 mm par rapport l’extrémité opposée du capillaire. La zone de réception du faisceau est constituée d’une plaque en or, placée à une distance de 50 mm de l’extrémité du capillaire, sur la plaque d’aluminium Al.
Une différence de potentiel est appliquée entre la première électrode et l’électrode extractrice au moyen d‘une alimentation haute tension.
Aucun moyen de chauffage ou de mise sous vide du dispositif n’est utilisé.
Résultats et discussions
La formation d’un courant d’ions est observée avec une tension de -6,8 kV. En particulier, on observe la formation d’un cône de Taylor de couleur jaunâtre et l’émission d’un faisceau de couleur violette.
L’implantation d’ions iodures I-sur la plaque en or est confirmée par des analyses de spectrométrie de masse à temps de vol (TOF-MS pour «Time of Flight Mass spectrometry» en anglais) et par spectroscopie photo-électronique aux rayons X (XPS en anglais pour «X-ray photoelectron spectroscopy»).
Les analyses de spectrométrie de masse sont réalisées sur l’instrument Andromède de l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO - https://andromede.in2p3.fr) qui est un spectromètre temps de vol de 1 m dont la tension d’accélération est de -10 kV et le faisceau est un faisceau d’or Au100 4+de 12 MeV. La surface analysée est de 400 µm de diamètre et le nombre d’impact est d’environ 2 104NPs/cm2.
Les analyses XPS sont réalisées avec un spectromètre Thermofisher Scientific K-Alpha.
Les résultats obtenus sont représentés respectivement sur les figures 5 et 6.
La montre la présence de pics caractéristiques de la présence de sels d’iode et d’or. Le pic à 324 m/z (pic P1) indique la présence de monoiodure d’or AuI et le pic à 451 m/z (pic P2) traduit la présence de diiodure d’or AuI2.
La montre la présence de pics caractéristiques de la présence de sels d’iode et d’or. Les pics à 89 eV (pic P3, Au 4f5/2) et à 85 eV (pic P4, Au 4f7/2) indiquent la présence de monoiodure d’or AuI.
Exemple 2 – Source d’ions iodures avec chauffage et pression réduite
Le dispositif
Le dispositif utilisé correspond au dispositif de la à l’exception qu’il ne comprend pas de troisième électrode.
La première électrode est constituée d’un fil en tungstène W de diamètre 0,15 mm.
L’électrode extractrice est constituée d’une cage de Faraday en carbone C, dans laquelle est placée une plaque d’argent Ag constituant la zone de réception du faisceau.
Le réservoir est constitué d’un capillaire en céramique de 500 µm de diamètre interne. Le réservoir se termine à l’une de ses extrémités par un cône percé dont le diamètre final est égal à 100 µm.
La composition est un mélange d’iodure de césium CsI et de polyéthylène glycol PEG600 (1/10 en poids de CsI soit une concentration de 0.43 mol.L-1; 23% en moles de CSI par PEG600).
Le réservoir est rempli avec la composition. Le fil de tungstène W est ensuite introduit dans le capillaire jusqu’à une distance de 2 mm par rapport l’extrémité du cône. Un filament en molybdène Mo (diamètre 0.19 mm), relié à un générateur, est ensuite enroulé autour du réservoir de manière à chauffer la composition.
La plaque en argent est placée à une distance de 20 mm de l’extrémité du capillaire.
Le dispositif comprend en outre un système de pompage turbo-moléculaire, associé à une pompe primaire à palette, permettant d’atteindre une pression de 10-6hPa au sein du dispositif.
Résultats et discussions
La production d’un faisceau d’ions est obtenue avec les conditions suivantes :
- Puissance de chauffage : 1,3A-1,0V,
- Tension d’accélération : U(En) = -9 kV,
- Courant d’extraction : I(extraction) = de 30 µA à 60 µA, et
- Courant Faraday est I(F) = de -20 à -120 pA.
Après 1 heure de fonctionnement, la source est éteinte et l’implantation d’ions iodures sur la plaque en argent est analysée par imagerie ionique et par spectrométrie de masse par temps de vol.
L’analyse par imagerie optique montre la présence d’ions I-et d’ions AgI2 -répartis de façon homogène sur la surface de la feuille d’argent.
Les analyses de spectrométrie de masse par temps de vol sont réalisées au moyen d’un instrument de type IONTOF IV hybrid, commercialisé par la société IONTOF. Le faisceau utilisé est du Bi3 +de 25 keV analysant une surface de 250x250 µm2. La dose est de 5,4 1011ions/cm2.
Le spectromètre de masse obtenu est représenté sur la . On observe la présence de pics caractéristiques de la présence de sels d’iode et d’argent. Le pic à 127 m/z (pic P5) traduit la présence d’ions iodures I-, le pic à 341 m/z (pic P6) traduit la présence d’agrégats d’iodure d’argent de formule Ag2I-et le pic à 361 m/z (pic P7) traduit la présence d’un autre type d’agrégats d’iodure d’argent de formule AgI2 -.
Ces résultats confirment l’implantation d’ions iodures I-dans la feuille d’argent. La production de faisceau d’Iode est démontrée.
Exemple 3 – Source d’ions césium à partir de polystyrène sulfonate de césium
Le dispositif
Le dispositif utilisé correspond au dispositif de la .
La première électrode est en Tungstène W.
L’électrode extractrice, constituée d’un anneau en inox percé en son centre (diamètre du trou = 2 mm), est placée face à la première électrode, à une distance millimétrique.
La troisième électrode est en argent Ag.
La zone d’émission est constituée d’un support de source standard de type LMIS comprenant un réservoir cylindrique réalisé en fil de tungstène W de 100 µm et de l’électrode extractrice définie ci-dessus. Une pointe en tungstène W de 200 µm est introduite dans le réservoir afin de faciliter la formation du cône de Taylor.
Le réservoir est rempli avec une composition précurseur constituée d’un polymère de type polystyrène sulfonate de césium (PSS.Cs). La source est placée dans un corps standard de sources LMIS (dénommé cartridge).
Le dispositif comprend en outre un système de pompage turbo-moléculaire, associé à une pompe primaire à palette, permettant d’atteindre une pression de 3.10-6hPa au sein du dispositif.
L’intensité du faisceau est mesurée au niveau de la troisième électrode.
Résultats et discussions
La production d’un faisceau d’ions est obtenue avec les conditions suivantes :
- Puissance de chauffage : 1,6V-2,0V
- Tension d’accélération : U(En) = +4 kV
- Tension d’extraction: U(Extracteur) = -8 kV
- Intensité du faisceau : I(extraction) = 30 µA à 50 µA.
Après 40 minutes de fonctionnement, la source est éteinte et l’implantation des ions césium est analysée. Les surfaces de la pointe en tungstène, du réservoir et de l’électrode extractrice sont caractérisées par microscopie électronique à balayage (MEB) et par analyse dispersive en énergie (en anglais EDS pour «Energy-dispersive X-ray spectroscopy»).
Le microscope utilisée est commercialisée par l’entreprise Zeiss, sous la référence MEB-FEG ZEISS Sigma HD. L’intensité du faisceau est de 10 nA avec une tension d’accélérateur de 15 kV. Le grandissement est de 11500, ce qui permet de réaliser des images de 100 à 10000 µm2de surface et de mesurer les rayons X émis des surfaces étudiées et d’en déduire la composition chimique élémentaire.
Les résultats obtenus sont représentés sur les figures 8 à 10. Les pics P8a, P9a, P10a, P8b, P9b, P10b sont en lien avec la présence de césium. L’intensité des pics est fonction de la teneur en césium dans l’échantillon.
On observe que le polymère ionique se situant au niveau de l’extrémité de la pointe en tungstène présente une teneur réduite en ions césium Cs+, par rapport au polymère présent à la surface du réservoir. On observe également la présence d’ions césium Cs+à la surface l’électrode extractrice.
Une analyse par spectroscopie photo-électronique X permet de mesurer le rapport molaire entre les ions Cs+et les atomes de soufre présents dans le polymère. Dans le polymère de départ, le rapport Cs/S est égal à 0,67 contre une valeur de 0,27 à la fin de l’essai.
Ce test démontre la séparation ionique au sein du liquide et l’extraction d’ions césium Cs+à partir du polymère ionique PSS.Cs.
Exemple 4 – Source d’ions césium à partir de NAFION® de césium
Le dispositif
Le dispositif utilisé correspond au dispositif de la .
La première électrode est constituée d’une pointe en tungstène (fil avec un diamètre de 0,15 mm).
L’électrode extractrice, constituée d’un anneau en inox percé en son centre (diamètre du trou = 2 mm), est placée face à la première électrode, à une distance millimétrique.
La troisième électrode est d’une cage de Faraday en carbone.
La source constituée d’un capillaire en inox de diamètre interne de 1 mm à son extrémité, est remplie avec un sel de césium d’un polymère type NAFION® (Cs.Nafion). La source est placée dans un corps standard de sources LMIS dénommé « cartridge » comportant l’électrode extractrice définie ci-dessus. La première électrode est ensuite introduite dans le capillaire pour faciliter la formation du cône de Taylor. Autour du corps cylindrique un filament en Mo (diamètre 0,19) a été enroulé pour chauffer la source.
Un système de pompage turbo-moléculaire, associé à une pompe primaire à palette, permet d’atteindre une pression de fonctionnement de 1,5 10-6hPa,
Résultats et discussions
La production du faisceau d’ions est obtenue pour les conditions suivantes :
- Puissance de chauffage : de 1,0V-2,1A à 1,5V-2,5A,
- Tension d’accélération : U(En) = +12 kV,
- Tension d’extraction : U(Extracteur) = -9 kV,
- Courant source : I(extraction) = de 1 µA à 180 µA,
- Courant d’ions extraits: I(Faraday) = 3 pA à 190 nA.
Après 2 heures de fonctionnement, la source est éteinte et l’implantation des ions sur la surface de l’électrode extractrice est analysée.
Le polymère de départ et la surface de l’électrode extractrice sont analysés par spectroscopie photoélectronique au rayons X (XPS). Les résultats obtenus sont présentés sur la .
La courbe (1) représente le spectre obtenu par l’analyse de la surface de l’électrode extractrice.
La courbe (2) représente le spectre obtenu par l’analyse du polymère de départ.
La courbe (3), utilisé comme comparatif, représente le spectre obtenu à partir du carbonate de césium Cs2CO3.
Les pics P10 sont caractéristiques de la présence de soufre S (2p3/2et 2p1/2). Les pics P11 et P12 sont caractéristiques de la présence de césium (4p3/2et 4p1/2).
L’analyse de la surface de l’électrode extractrice (courbe 1) montre la disparition des signaux du soufre en comparaison de ce qui est observé pour le polymère de départ (courbe 2). Nous observons donc le césium Cs indépendamment du soufre. Par ailleurs, le spectre obtenu à partir de la surface de l’électrode extractrice (courbe 1) est identique au spectre des ions césium Cs+enregistré dans le sel Cs2CO3(courbe 3). Ces résultats confirment l’extraction sélective d’ion Cs+à partir du polymère ionique NAFION® Cs.

Claims (15)

  1. Procédé pour la production d’un faisceau d’une ou de plusieurs espèces chimiques chargées en phase gazeuse, ce procédé comprenant :
    1) la fourniture d’un dispositif comprenant :
    - une zone d’émission dudit faisceau en contact avec une composition comprenant au moins un polymère choisi parmi les polymères comprenant des groupements polaires, les polymères présentant des groupements chargés, les polymères réticulables, et l’un quelconque de leurs mélanges ; et au moins une espèce précurseur du faisceau, et
    - une zone de réception dudit faisceau,
    2) l’application d’une différence de potentiel entre la zone d’émission et la zone de réception du faisceau,
    3) optionnellement, la mise sous vide du dispositif, de préférence à une pression inférieure ou égale 10-5hPa, plus préférentiellement à une pression inférieure ou égale à 10-6hPa, et
    4) la production du faisceau,
    ledit dispositif comprenant un réservoir permettant de contenir la composition.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la zone d’émission est chauffée à une température allant de 15°C à 600°C, de préférence de 20°C à 300°C.
  3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou les espèces précurseurs du faisceau sont sous la forme d’un sel, en association avec un contre-ion.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le polymère comprend des groupements polaires en interaction électrostatique avec ledit contre-ion.
  5. Procédé selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, dans lequel le polymère comprend des groupements chargés et dans lequel l’espèce précurseur du faisceau est un contre-ion desdits groupements chargés du polymère.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les groupements chargés du polymère sont formés par réticulation du polymère, de préférence par réticulation covalente du polymère.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’espèce précurseur du faisceau est formée au cours de la réaction de réticulation du polymère, de préférence par décomposition d’un agent réticulant.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi : des ions monoatomiques, des molécules chargées, des nanoparticules chargées et l’un quelconque de leurs mélanges.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi des ions monoatomiques, de préférence parmi les ions césium Cs+, les ions iodures I-et l’un quelconque de leurs mélanges.
  10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi des ions pluriatomiques, de préférence sont les ions nitrate NO3 -, les ions triiodures I3 -, les ions tribromures Br3 -, les ions perchlorate ClO4 -, les ions azotures N3 -et l’un quelconque de leurs mélanges.
  11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’espèce précurseur du faisceau est choisie parmi des nanoparticules, de préférence parmi des nanoparticules métalliques, des nanoparticules métalloïdes, des nanoparticules carbonées, des nanoparticules semi-conductrices et l’un quelconque de leurs mélanges.
  12. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit dispositif comprenant :
    - une zone d’émission du faisceau en contact avec une composition comprenant au moins un polymère choisi parmi les polymères comprenant des groupements polaires, les polymères présentant des groupements chargés, les polymères réticulables, et l’un quelconque de leurs mélanges ; et au moins une espèce précurseur d’un faisceau d’espèces chimiques chargées en phase gazeuse,
    - une zone de réception du faisceau, et
    - des moyens permettant d’induire une différence de potentiel entre ladite zone d’émission et ladite zone de réception,
    ledit dispositif comprenant un réservoir permettant de contenir la composition.
  13. Utilisation d’une composition comprenant au moins un polymère choisi parmi les polymères comprenant des groupements polaires, les polymères présentant des groupements chargés, les polymères réticulables, et l’un quelconque de leurs mélanges ; et au moins une espèce précurseur d’un faisceau d’espèces chimiques chargées en phase gazeuse dans un dispositif pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse, ou dans un procédé pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse.
  14. Utilisation selon la revendication 13, dans un dispositif pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse tel que défini à la revendication 12.
  15. Utilisation selon la revendication 13, dans un procédé pour la production d’un faisceau d’espèces chargées en phase gazeuse tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 11.
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