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