« Ingénierie des matériaux pour l’électronique » : différence entre les versions
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Les enjeux pour les futurs composants inorganiques photovoltaïques sont d’obtenir des matériaux absorbants d’une grande qualité cristallographique et à base d’éléments abondants, des fenêtres optiques appropriées en termes de transparence et de conduction électrique, des interfaces contrôlées et des architectures de cellules permettant le plus haut rendement possible associé à un faible coût. Par ailleurs, la technologie photovoltaïque en couches minces est actuellement dominée par les composés CdTe et Cu(In,Ga)Se . Cependant, la faible disponibilité et la toxicité de certains éléments de ces composés imposent de trouver des alternatives à base d’éléments courants (Si, Cu, Zn, …). Nos objectifs sont de répondre à ces exigences technologiques en se focalisant sur la synthèse et la caractérisation physico-chimique de matériaux, avec optimisation de leurs propriétés suivant la fonction visée (absorbeur, fenêtre, convertisseur…). Nous portons un intérêt tout particulier à la compréhension du rôle joué par les défauts (intrinsèques ou extrinsèques) et les états de surface sur les propriétés optoélectroniques (absorption, transport des porteurs de charges…) des matériaux produits.<br> |
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L’électronique est confrontée aujourd’hui à la miniaturisation dans le but d’augmenter les densités de stockage, ce qui conduit à des recherches impliquant la '''dimensionnalité des matériaux'''. Dans ce contexte, la mise en œuvre de '''matériaux 2D''' (monocouche), '''quasi-2D''' (films fins nanométriques) ou '''1D''' (nanoparticules de taille nanométrique) possédant des '''propriétés électroniques, opto-électroniques ou optiques supérieures''' (confinement quantique, conductivité 2D, …) est essentielle. Notre équipe étudie plus particulièrement les processus physiques d’élaboration de ce type de matériaux par des techniques avancées (ablation laser, implantation ionique, ..) et utilise des traitements post-dépôt adéquats (traitements thermiques ou thermo-catalytiques sous atmosphère contrôlée, laser…) pour la synthèse ad hoc des matériaux de basse dimensionnalité sur/dans des substrats directement utilisables ou facilement intégrables pour les applications spécifiquement visées. |
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=Thèmes développés= |
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==Cellules en silicium massif== |
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L’industrie photovoltaïque continuera pour longtemps encore à utiliser des plaquettes de silicium cristalllin mais leur mode de croissance (Si métallurgique, Si ruban) et leur teneur en impuretés (O, C, Al, Fe, Ti, B, P…) exigent une réduction draconienne de l’épaisseur (< 100 µm) afin de relaxer la contrainte sur la longueur de diffusion des porteurs minoritaires. Les étapes de gettering, de passivation des surfaces, de texturation, et de métallisation deviennent très importantes. Par ailleurs, le développement du Si type N pour le photovoltaïque devient une alternative sérieuse. Notre effort de recherche consistera donc à développer des procédés innovants pour la passivation des surfaces (diélectriques de type Al2O3, AlN …), pour la texturation (plasma réactif), le dopage et la métallisation localisés (implantation, laser, lampes). Il s’agira de mettre en relation les propriétés électriques des plaquettes Si métallurgique et Si ruban avec les teneurs en impuretés dans ces plaquettes avant et après les différents traitements. <br> |
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=Thèmes développés= |
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==Films de carbone graphitique quasi 2D sur substrat isolant pour électrode transparente== |
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==Cellules en silicium couches minces== |
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Les matériaux en couches minces constituent la deuxième génération de la technologie photovoltaïque. En particulier, le silicium cristallin présente plusieurs avantages tels que son abondance (même gazeuse), sa non-toxicité, sa facilité de recyclage, et sa stabilité chimique et thermique. Il faut cependant contourner ses inconvénients : gap indirect imposant une grande épaisseur, défauts recombinants, coût de production. Nos activités dans ce domaine porteront sur deux voies :<br> |
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:o Investigation de nouveaux procédés d’élaboration des couches Si cristallin sur substrats souples (alliages métalliques …), comme par exemple le dépôt direct de Si à partir de gaz plasma contrôlé ou l’utilisation d’une encre contenant des nanoparticules de silicium puis frittage. Il s’agit de corréler les propriétés structurales et électroniques avec les paramètres photovoltaïques issus de ces structures. <br> |
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:o Développement de méthodes pour le management optique dans le Si ultramince de manière à augmenter le parcours des photons et multiplier la génération de charges. Il est envisagé de réaliser des couches diélectriques réflectrices internes (ex. a-SiON:P, a-SiON:B), des réseaux photoniques, des structures à nanoparticules métalliques.<br> |
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'''Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, N. Javahiraly, D. Muller, N. Boubiche''' <br> |
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==Nouveaux concepts pour le photovoltaïque== |
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*<u>Conversion photonique par luminescence</u><br> |
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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. |
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Nos investigations sont :<br> |
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:o Développement de couches à conversion à base d’oxynitrures de silicium contenant des nanocristaux de silicium dopés avec des ions de terres rares. <br> |
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: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.<br> |
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:o Développement de polymères encapsulants fonctionnalisés par la conversion de photons. |
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''Collaborations académiques: IPVF-Paris, IPHC-Strasbourg, IPCMS-Strasbourg, IJL-Nancy, METU-Turquie…'' |
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'''Collaborations : Prof. M. Abdesselam (Université Alger), F. Djeffal (Université Batna II)''' |
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*<u>Structures à effet plasmonique</u><br> |
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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). <br> |
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''Collaborations académiques: IJL-Nancy, IPCMS-Strasbourg, UTT- Troyes'' |
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*<u>Structures Tandem en silicium</u><br> |
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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. <br> |
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Nos recherches s’orientent vers deux voies :<br> |
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: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.<br> |
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: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.<br> |
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''Collaborations académiques: IJL-Nancy, LMPO-Metz'' |
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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. <br> |
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*<u>Structures Tandem III-V sur silicium</u><br> |
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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.<br> |
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''Projets: ANR-NOVAGAINS''<br> |
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''Collaborations académiques: LGEP-Gif, GergiaTech-Metz,INL-Lyon…''<br> |
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''Collaborations industriels : NOVATIONS'' |
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<div class="center"> Figure 1 : (gauche) Schéma expérimental de préparation de films : métal@film graphitique/DLC/quartz. (droite) Figures de mérite (conductivity of transparency) des films Ni@film graphitique/DLC/quartz et film graphitique/DLC/quartz. |
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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. |
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==Synthèse d’électrodes transparentes à base de carbone synthétisés par procédés lasers== |
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'''Personnes impliquées : F. Antoni, D. Muller, F. Stock''' <br> |
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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.<br> |
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<div class="center"> Figure 2 : Représentation schématique du procédé d’élaboration des électrodes. </div> |
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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). |
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<div class="center"> Figure 3 : Utilisation de la couche obtenue comme résistance électrique alimentant une LED à mettre en œuvre.</div> |
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==Nanocristaux de GaN obtenus par implantations dans des matrices diélectriques et traitements thermiques ou thermocatalytiques sous atmosphère réductrice azotée== |
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'''Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, N. Javahiraly, D. Muller''' <br> |
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'''Collaborations : Lilia Aggar (thèse), Prof D. Bradai, M. Abdesselam (Université Alger) / C. Bouillet, M. Gallart (IPCMS/Strasbourg)''' |
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La formation de nanocristaux de GaN dans SiO2/Si a été obtenue par implantation des des ions Ga+ and N+ suivies d’un traitement thermique ou thermocatalytique entre 450 et 950°C dans des atmosphères réductrices azotées. Les analyses par microscopie électronique haute résolution (HRTEM), par microscopie à balayage (SEM), par diffraction des rayons X à haute résolution (XRD), par spectroscopie de la structure fine d’absorption (XAFS) au seuil K du Ga et par spectroscopies de photoélectrons (XPS) et Raman montrent la formation de nanocristaux très petits de GaN de structure wurtzite (2-5 nm). L’adjonction d’un catalyseur en surface permet de contrôler et d’activer la décomposition du diazote en monoazote, permettant d’empêcher la diffusion des ions en surface, d’activer sélectivement la formation du GaN (aux dépens de la formation de Ga ou de Ga2O3) et d’augmenter la qualité cristallographique des particules de GaN enterrées (Figure 4). |
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<div class="center"> Figure 4 : (gauche) TEM d’une couche implantée de GaN sur SiO2 thermique en présence de catalyseur ; (droite) HRTEM de particules de GaN wurtzite de taille 3-6 nm. </div> |
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On obtient en présence du catalyseur des spectres de photoluminescence caractéristiques d’une intense émission excitonique autour de 3,45 eV et peu de “lumière jaune” caractéristique d’un matériau où la lumière est émise par recombinaisons radiatives sur des défauts. L’effet de la matrice diélectrique, de la nature de l’environnement gazeux en cours de traitement et de la température est actuellement activement étudiée. |
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<div class="center"> Figure 5 : Photoluminescence entre 20K et 300K de nanoparticules GaN enterrées traitées à 950°C en absence (gauche) et en présence (droite) d’un catalyseur. </div> --> |
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Il s’agit de contrôler la taille moyenne (dans un domaine inférieur à 3 nm où des effets de confinement quantique et un décalage vers les hautes énergies sont attendus), la densité et la distribution en profondeur de ces NPs. En particulier on envisage d’utiliser cette méthode pour construire des structures tandem photovoltaïques par implantation de GaN dans le DLC transparent. |
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==Synthèse de graphène par implantation/diffusion de carbone dans une matrice métallique== |
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'''Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, D. Muller''' <br> |
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Nous avons abordé la croissance de films de graphène par un procédé spécifique d’implantation d’ions carbone dans une matrice métallique épaisse (Ni, Cu), suivie d’un recuit diffusant le carbone soit en surface, soit à l’interface, suivant la profondeur d’implantation, avec à terme une application spécifique concernant les électrodes transparentes pour le photovoltaïque. On a pu mettre en évidence la ségrégation de films de carbone en surface à faible énergie (20 keV) et à l’interface à haute énergie (180 keV). Si par une telle méthode la nucléation basse pression limite fortement l’obtention d’un film graphène, par contre, à l’interface avec un substrat (MgO(111) ou SiO2) il a été possible de réaliser des films homogènes aussi bien avec le Cu qu’avec le Ni. Ce procédé a été testé également pour réaliser des films très fins de nitrure de bore hexagonal par implantation d’ions N et B et recuit. Nous utiliserons pour cela les nouvelles potentialités de l’implantation ionique à très faible énergie en cours d'installation au sein de la plate-forme C3-Fab (1 à 10 keV). |
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==Ingénierie de nanoparticules == |
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'''Personnes impliquées : G. Ferblantier, D. Muller, E. Steveler''' <br> |
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'''Collaborations : GPM (Rouen)''' |
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Nous développons depuis de nombreuses années des procédés basés sur l’implantation ionique et/ou l’irradiation pour fabriquer, déformer, doper et fonctionnaliser des nano-objets enfouis dans une matrice pour en faire des capteurs, des mémoires ou des dispositifs optiques. <br> |
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La capacité de doper des boites quantiques, et en particulier des nanocristaux de silicium (Si-NC) est un enjeu technologique clé pour leur utilisation dans les applications optoélectroniques. À titre d'exemples, de faibles niveaux de dopage sont nécessaires pour rendre possibles des applications telles que les cellules en tandem à base de Si-NC et des niveaux de dopage élevés sont nécessaires pour obtenir des propriétés optiques accordables prometteuses (via la résonance plasmon de surface locale-LSPR). (cf thème « Matériaux fonctionnels et capteurs »). <br> |
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Nous avons en particulier démontré la possibilité de synthétiser par implantation ionique des nanocristaux de silicium dopés avec le phosphore et l’arsenic enfouis dans une matrice de SiO<sub>2</sub>. Cette méthode de synthèse offre une bonne maîtrise de la distribution de taille des nanocristaux synthétisés et de la quantité de dopants incorporée dans ces nanocristaux. La synthèse par faisceaux d’ions permet l’élaboration des nanocristaux de silicium de taille moyenne de quelque nm. La densité volumique de nanocristaux contenant les dopants varie entre 10<sup>18</sup> et quelques 10<sup>19</sup> particules.cm<sup>-3</sup> avec une concentration atomique moyenne de dopant dans les nanocristaux de ~ 8 %. Des études similaires sont en cours pour caractériser l’effet d’un dopage au Bore.<br> |
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<div class="center"> Figure 6 : Distribution spatiale des dopants dans une nanoparticule de Si (à gauche) et profil de concentration autour d’une nanoparticule dopée déterminée par Tomographie par Sonde Atomique (APT). |
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=Thèmes en voie de développement= |
=Thèmes en voie de développement= |
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==Contrôle de Q-bits dans semiconducteurs grand gap == |
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==T1.1 Matériaux absorbants en couche mince== |
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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. |
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'''Personnes impliquées : D. Muller''' <br> |
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'''Collaborations : J. Tribolet (Institut Chimie Strasbourg), C. Couteau, M. Lazar (L2n Troyes)''' |
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Les technologies quantiques sont basées sur l’exploitation des propriétés de la physique quantique pour des applications de demain : communications quantiques, ordinateur et simulateurs quantiques mais aussi capteurs haute résolution (cf thème « Matériaux fonctionnels et capteurs »). |
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Plusieurs semiconducteurs à grand gap tels que le diamant, ZnO et le SiC seront étudiés. Une part des études consistera à positionner par implantation ionique des défauts paramagnétiques ou des centres colorés dans le diamant ou le SiC pour des dispositifs de capteurs quantiques ou pour la réalisation d’un registre quantique de quelques qubits de spins mais aussi pour des dispositifs photoniques à base de diamants. Une autre approche consistera à incorporer par implantation ionique des atomes magnétiques dans des boites quantiques épitaxiées qui ont montré par le passé qu’ils peuvent donner lieu à des couplages entre spin électronique de l’exciton de la boite et spin magnétique du défaut au voisinage de la boite. L’enjeu est de dupliquer le phénomène dans le diamant et de mettre en évidence un couplage spin-spin entre le spin d’un centre coloré du diamant et le spin magnétique d’atome qui aurait été implanté non-loin. |
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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. |
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==T1.2. Les oxydes fonctionnalisés== |
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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. |
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Dernière version du 7 octobre 2020 à 10:09
L’électronique est confrontée aujourd’hui à la miniaturisation dans le but d’augmenter les densités de stockage, ce qui conduit à des recherches impliquant la dimensionnalité des matériaux. Dans ce contexte, la mise en œuvre de matériaux 2D (monocouche), quasi-2D (films fins nanométriques) ou 1D (nanoparticules de taille nanométrique) possédant des propriétés électroniques, opto-électroniques ou optiques supérieures (confinement quantique, conductivité 2D, …) est essentielle. Notre équipe étudie plus particulièrement les processus physiques d’élaboration de ce type de matériaux par des techniques avancées (ablation laser, implantation ionique, ..) et utilise des traitements post-dépôt adéquats (traitements thermiques ou thermo-catalytiques sous atmosphère contrôlée, laser…) pour la synthèse ad hoc des matériaux de basse dimensionnalité sur/dans des substrats directement utilisables ou facilement intégrables pour les applications spécifiquement visées.
Thèmes développés
Films de carbone graphitique quasi 2D sur substrat isolant pour électrode transparente
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Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, N. Javahiraly, D. Muller, N. Boubiche
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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.
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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.
Nanocristaux de GaN obtenus par implantations dans des matrices diélectriques et traitements thermiques ou thermocatalytiques sous atmosphère réductrice azotée
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Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, N. Javahiraly, D. Muller
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La formation de nanocristaux de GaN dans SiO2/Si a été obtenue par implantation des des ions Ga+ and N+ suivies d’un traitement thermique ou thermocatalytique entre 450 et 950°C dans des atmosphères réductrices azotées. Les analyses par microscopie électronique haute résolution (HRTEM), par microscopie à balayage (SEM), par diffraction des rayons X à haute résolution (XRD), par spectroscopie de la structure fine d’absorption (XAFS) au seuil K du Ga et par spectroscopies de photoélectrons (XPS) et Raman montrent la formation de nanocristaux très petits de GaN de structure wurtzite (2-5 nm). L’adjonction d’un catalyseur en surface permet de contrôler et d’activer la décomposition du diazote en monoazote, permettant d’empêcher la diffusion des ions en surface, d’activer sélectivement la formation du GaN (aux dépens de la formation de Ga ou de Ga2O3) et d’augmenter la qualité cristallographique des particules de GaN enterrées (Figure 4).
On obtient en présence du catalyseur des spectres de photoluminescence caractéristiques d’une intense émission excitonique autour de 3,45 eV et peu de “lumière jaune” caractéristique d’un matériau où la lumière est émise par recombinaisons radiatives sur des défauts. L’effet de la matrice diélectrique, de la nature de l’environnement gazeux en cours de traitement et de la température est actuellement activement étudiée.
Il s’agit de contrôler la taille moyenne (dans un domaine inférieur à 3 nm où des effets de confinement quantique et un décalage vers les hautes énergies sont attendus), la densité et la distribution en profondeur de ces NPs. En particulier on envisage d’utiliser cette méthode pour construire des structures tandem photovoltaïques par implantation de GaN dans le DLC transparent.
Synthèse de graphène par implantation/diffusion de carbone dans une matrice métallique
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Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, D. Muller |
Nous avons abordé la croissance de films de graphène par un procédé spécifique d’implantation d’ions carbone dans une matrice métallique épaisse (Ni, Cu), suivie d’un recuit diffusant le carbone soit en surface, soit à l’interface, suivant la profondeur d’implantation, avec à terme une application spécifique concernant les électrodes transparentes pour le photovoltaïque. On a pu mettre en évidence la ségrégation de films de carbone en surface à faible énergie (20 keV) et à l’interface à haute énergie (180 keV). Si par une telle méthode la nucléation basse pression limite fortement l’obtention d’un film graphène, par contre, à l’interface avec un substrat (MgO(111) ou SiO2) il a été possible de réaliser des films homogènes aussi bien avec le Cu qu’avec le Ni. Ce procédé a été testé également pour réaliser des films très fins de nitrure de bore hexagonal par implantation d’ions N et B et recuit. Nous utiliserons pour cela les nouvelles potentialités de l’implantation ionique à très faible énergie en cours d'installation au sein de la plate-forme C3-Fab (1 à 10 keV).
Ingénierie de nanoparticules
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Personnes impliquées : G. Ferblantier, D. Muller, E. Steveler
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Nous développons depuis de nombreuses années des procédés basés sur l’implantation ionique et/ou l’irradiation pour fabriquer, déformer, doper et fonctionnaliser des nano-objets enfouis dans une matrice pour en faire des capteurs, des mémoires ou des dispositifs optiques.
La capacité de doper des boites quantiques, et en particulier des nanocristaux de silicium (Si-NC) est un enjeu technologique clé pour leur utilisation dans les applications optoélectroniques. À titre d'exemples, de faibles niveaux de dopage sont nécessaires pour rendre possibles des applications telles que les cellules en tandem à base de Si-NC et des niveaux de dopage élevés sont nécessaires pour obtenir des propriétés optiques accordables prometteuses (via la résonance plasmon de surface locale-LSPR). (cf thème « Matériaux fonctionnels et capteurs »).
Nous avons en particulier démontré la possibilité de synthétiser par implantation ionique des nanocristaux de silicium dopés avec le phosphore et l’arsenic enfouis dans une matrice de SiO2. Cette méthode de synthèse offre une bonne maîtrise de la distribution de taille des nanocristaux synthétisés et de la quantité de dopants incorporée dans ces nanocristaux. La synthèse par faisceaux d’ions permet l’élaboration des nanocristaux de silicium de taille moyenne de quelque nm. La densité volumique de nanocristaux contenant les dopants varie entre 1018 et quelques 1019 particules.cm-3 avec une concentration atomique moyenne de dopant dans les nanocristaux de ~ 8 %. Des études similaires sont en cours pour caractériser l’effet d’un dopage au Bore.
Thèmes en voie de développement
Contrôle de Q-bits dans semiconducteurs grand gap
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Personnes impliquées : D. Muller
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Les technologies quantiques sont basées sur l’exploitation des propriétés de la physique quantique pour des applications de demain : communications quantiques, ordinateur et simulateurs quantiques mais aussi capteurs haute résolution (cf thème « Matériaux fonctionnels et capteurs »). Plusieurs semiconducteurs à grand gap tels que le diamant, ZnO et le SiC seront étudiés. Une part des études consistera à positionner par implantation ionique des défauts paramagnétiques ou des centres colorés dans le diamant ou le SiC pour des dispositifs de capteurs quantiques ou pour la réalisation d’un registre quantique de quelques qubits de spins mais aussi pour des dispositifs photoniques à base de diamants. Une autre approche consistera à incorporer par implantation ionique des atomes magnétiques dans des boites quantiques épitaxiées qui ont montré par le passé qu’ils peuvent donner lieu à des couplages entre spin électronique de l’exciton de la boite et spin magnétique du défaut au voisinage de la boite. L’enjeu est de dupliquer le phénomène dans le diamant et de mettre en évidence un couplage spin-spin entre le spin d’un centre coloré du diamant et le spin magnétique d’atome qui aurait été implanté non-loin.