Ingénierie des matériaux pour l’électronique

L’électronique, est confrontée aujourd’hui à une miniaturisation pour augmenter les densités de stockage, ce qui conduit à des investigations mettant en jeu la dimensionnalité des matériaux. De ce point de vue-là, la mise en œuvre de matériaux 2D (monocouche), quasi-2D (films fins nanométriques) ou 1D (nanoparticules de taille nanométriques) s’avère essentielle, lorsque ces matériaux possèdent des propriétés électroniques, opto-électroniques ou optiques supérieures (confinement quantique, conductivité 2D, …). Dans notre cas nous mettons en œuvre des processus physiques d’élaboration des matériaux (ablation laser, implantation ionique, ..). A partir de ces méthodes classiques la véritable originalité de notre équipe consiste à introduire des traitements adéquats (traitements thermiques ou thermo-catalytiques sous atmosphère contrôlée, laser…) permettant la synthèse ad hoc de ces matériaux sur ou dans des substrats directement utilisables ou facilement intégrables pour les applications visées.

Thèmes développés

Films de carbone graphitique quasi 2D sur substrat isolant pour électrode transparente

Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, N. Javahiraly, D. Muller, N. Boubiche Collaborations : Prof. M. Abdesselam (Université Alger), F. Djeffal (Université Batna II)

En vue de la réalisation de films transparents conducteurs, une couche très fine graphitique (graphénique) peut être directement obtenue en surface par transformation partielle ou totale d’un film Diamond Like Carbon (DLC) déposé sur quartz ou verre suivie des traitements thermiques ou thermocatalytiques. Par ablation laser pulsée de graphite à température ambiante, on obtient ainsi toute une classe de matériaux DLC à propriétés variables (densité, rapport d’hybridation sp2/sp3, ..) suivant les conditions de dépôt (fluence, épaisseur ..). Les traitements thermiques ou thermocatalytiques font évoluer la couche graphitique précurseur très fine en couche graphitique de surface par agrégation des domaines graphitiques et/ou transformation de phase du carbone sp3 (de type diamant) (Figure 1). De ce point de vue-là l’ajout d’une très faible quantité de catalyseur de métal de transition (moins d’une monocouche de Fe, Co, Ni), obtenue par MBE (col IPCMS, Strasbourg), s’avère très bénéfique pour abaisser la température et la cinétique de ces transformations. En plus de sa rigidité/dureté, de son inertie chimique, de sa très faible rugosité (< 1 nm), le film est transparent dans le visible et devient conducteur en surface.

Les figures de mérite pour ces systèmes multicouches (film graphitique/DLC/quartz ou catalyseur/film graphitique/DLC/quartz) sont du même ordre de grandeur que pour des électrodes à base d’ITO/quartz. Dans le cas du catalyseur nickel, ces figures de mérite (conductivity of transparency) sont même bien meilleures que ITO (> 105 Siemens/cm dès 400°C), alors que sans catalyseur il faut monter à 800-1100°C (Figure 2). L’épaisseur du film initial DLC, la fluence laser, l’environnement gazeux du traitement, la nature plus que la concentration métallique, la température et la cinétique sont les paramètres actuellement étudiés. Ils doivent nous permettre de mettre au point un dispositif efficace comme électrodes transparentes mais aussi pour d’autres applications comme des capteurs.

Synthèse d’électrodes transparentes à base de carbone synthétisés par procédés lasers

Personnes impliquées : F. Antoni, D. Muller, F. Stock

L'un des grands défis que les technologies d'affichage (LCD, OLeds…), les dispositifs optoélectroniques et photovoltaïques devront affronter dans un futur proche est de trouver une alternative à l'utilisation d’oxydes conducteurs transparents tel l’oxyde d’indium-étain (ITO). Le graphène, un matériau 2D conducteur et transparent à base de carbone apparait comme une alternative attractive à l’ITO. Cependant, son transfert sur grandes surfaces est complexe et délicatt. Le procédé d’élaboration comprend deux étapes, décrites sur la figure 1. Dans un premier temps, une fine couche (d’environ 20 nm) de carbone amorphe adamantin (Diamond-Like Carbon : DLC) est synthétisée sous vide et à température ambiante par ablation laser pulsée (PLD) d’une cible de graphite pur et déposée sur un substrat isolant et transparent (verre, quartz…) dans le cas où une électrode transparente doit être obtenue. Le dépôt peut cependant être obtenu de façon identique sur tous types de substrats (conducteur, souple, polymères…). Le DLC présente une bonne transmission optique dans le domaine visible et constitue un parfait isolant électrique. Il présente cependant un caractère partiellement opaque dans le domaine ultraviolet. C’est cette propriété qui est exploitée dans une seconde étape dans laquelle un traitement laser UV uniforme à très basse énergie de la couche déposée permet la graphitisation de sa surface par balayage, la rendant conductrice tout en conservant sa transparence.

Ce procédé novateur et original est basé uniquement sur des technologies lasers et offre l’avantage d’une entière compatibilité avec les procédés de la microélectronique classique et permet en outre d’obtenir un matériau biocompatible. Aucun travail équivalent n’a pour l’heure été publié. Nous avons pu démontrer que nous étions en mesure de réaliser des électrodes aux performances équivalentes à celles des conducteurs transparents commerciaux (tel que l’ITO) ce qui est un résultat remarquable car ce procédé n’utilise que du carbone pur déposé et traité à température ambiante. L’intégration dans un circuit électrique a permis de démontrer la stabilité de la couche (figure 2).

Nouveaux concepts pour le photovoltaïque

• Conversion photonique par luminescence
  

L’augmentation du rendement de conversion passe par une exploitation totale du spectre solaire par la cellule de conversion. Parmi les différentes solutions, on peut citer les cellules à impuretés ou à bande intermédiaire, pour lesquelles une modification de la partie active de la cellule est nécessaire. Une autre idée originale consiste à modifier le spectre incident par conversion énergétique de ses photons, suivant trois manières : downshifting (DS), down-conversion (DC) et up-conversion (UC). Dans le premier cas il s'agit de récupérer les photons non utilisés par la cellule, dans le deuxième de récupérer l'énergie perdue par thermalisation et dans le troisième de récupérer les photons non absorbés. Nos investigations sont :

o Développement de couches à conversion à base d’oxynitrures de silicium contenant des nanocristaux de silicium dopés avec des ions de terres rares.

o Développement de couches conductrices transparentes (TCOs) à base de ZnO dopées avec un ou plusieurs ions de terres rares (Tb, Yb, Nd…) afin d’obtenir les propriétés de conversion recherchées. Il est également prévu des études de transfert de charges entre les couches ZnO et les nanoparticules de silicium.

o Développement de polymères encapsulants fonctionnalisés par la conversion de photons.

Collaborations académiques: IPVF-Paris, IPHC-Strasbourg, IPCMS-Strasbourg, IJL-Nancy, METU-Turquie…

• Structures à effet plasmonique
  

L’application de la plasmonique dans le photovoltaïque est très récente et repose sur la potentialité de nanoparticules métalliques dispersées en surface ou en face arrière à exalter le champ électromagnétique et ainsi à augmenter l’absorption dans des couches minces, en particulier pour le silicium. Nous développons cette thématique en utilisant soit une méthode chimique (dépôt d’Ag puis recuit) soit une méthode physique (implantation ionique d’Ag ou Al dans une matrice diélectrique). Les verrous à lever portent sur la maîtrise des tailles et densité, la démonstration de l’efficacité de conversion et enfin l’intégration du procédé dans la cellule finale (en Si massif ou en couche mince).
Collaborations académiques: IJL-Nancy, IPCMS-Strasbourg, UTT- Troyes

• Structures Tandem en silicium
  

La bande interdite du silicium cristallin peut être modulée par sa nanostructuration. Notre objectif est la réalisation de des cellules tandem à base de silicium en juxtaposant des matériaux Si avec différentes tailles de nanoparticules ou des nanofils.
Nos recherches s’orientent vers deux voies :

o Des structures contenant des nanoparticules de silicium dispersées d’une façon ordonnée dans une matrice diélectrique, et dont la bande interdite effective est contrôlée par la taille des nano-objets. Les défis scientifiques sont le contrôle du dopage de ces nanostructures (réalisé dans notre cas soit in-situ lors du dépôt par pulvérisation magnétron soit ex-situ par implantation ionique et recuit thermique ou laser) et la mesure de ses conséquences sur les aspects optiques et électroniques. Le défi technologique majeur est la fabrication d’une cellule sur ces structures.

o Des structures à nanofils de silicium obtenues par dépôt CVD de multicouches contenant des nanoparticules mais dans des conditions qui permettent la percolation de ces nanoparticules. Nos futurs travaux s’articuleront autour de l’élaboration de nanofils Si résultant du décapage de la matrice diélectriques, le dopage de ces nanofils, la détermination des propriétés optiques de ces structures verticales, et enfin la réalisation des cellules.

Collaborations académiques: IJL-Nancy, LMPO-Metz

• Structures Tandem III-V sur silicium
  

L’utilisation de cellules Tandem, juxtaposant plusieurs semi-conducteurs chacun absorbant une partie du spectre solaire, semble une excellente option compte tenu des rendements de conversion déjà obtenus avec ce principe. Nous travaillons sur la formation de nouvelles cellules à multijonctions en combinant les avantages du silicium et ceux des matériaux III-V. Nous comptons développer des cellules à base d’alliage InGaN sur substrat silicium afin de transformer une bonne partie du spectre solaire et le convertir en charges électriques. Les objectifs scientifiques sont la compréhension des phénomènes de croissance d’alliage InGaN sur substrat Si en se servant de couches tampon. Les objectifs technologiques sont la réalisation de cellules tandem dont les rendements de conversion dépassent 30%, limite théorique pour des cellules à homojonction. Les objectifs environnementaux sont l’utilisation de moins de matière première (Si, In, Ga, …) pour des performances meilleures.
Projets: ANR-NOVAGAINS
Collaborations académiques: LGEP-Gif, GergiaTech-Metz,INL-Lyon…
Collaborations industriels : NOVATIONS

Thèmes en voie de développement

T1.1 Matériaux absorbants en couche mince

Les futurs travaux de l’équipe portant sur l’utilisation de silicium (et germanium) comme absorbeur s’orientent vers des structures originales de par leur méthode de synthèse (croissance assistée par métaux, implantation ionique…) et/ou par leur forme cristallographique (nanoparticles, nanofils). En effet, nous poursuivons nos travaux sur le silicium cristallin sous forme de couches minces sur substrats métalliques et également sur les structures à base de nanoparticules de silicium (et/ou germanium) insérées dans des matrices diélectriques.

Par ailleurs, nous axons nos recherches sur les oxydes multiferroïques et pérovskites pour le photovoltaïque . En particulier, on se concentre sur la synthèse par voies chimiques (sol-gel, solutions) et physiques (ablation laser) de matériaux comme BiMnO3 et la double pérovskite Bi2FeCrO6, et leurs caractérisations structurales et optoélectroniques.

T1.2. Les oxydes fonctionnalisés

Les recherches sur les oxydes transparents conducteurs (OTCs) sont toujours très importantes, compte tenu de la demande dans plusieurs domaines applicatifs, dont le photovoltaïque. La fonctionnalisation de ces oxydes en tant que convertisseur photonique a élargi leur potentiel d’applications. Nous poursuivons nos investigations sur la fonctionnalisation des OTCs à base d’étain (Sn) et de zinc (Zn). Plus particulièrement, nous étudions les propriétés électriques et optiques de matériaux oxydes ZnSnO (ZTO) amorphes et cristallins en couche mince. La grande mobilité des électrons dans les oxydes amorphes pourrait être une voie prometteuse pour aller au-delà des limitations concernant les fréquences de coupure et l'efficacité énergétique de silicium amorphe. Le dopage de ces oxydes par des lanthanides (Nd, Yb) ou d’autres éléments (Al, N) devrait permettre d’améliorer les propriétés de transport électrique et mettre en exergue leurs propriétés de conversion de photons UV en photons rouges.