Ingénierie des matériaux pour l’électronique
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.
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.
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 par implantation ionique
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Personnes impliquées : D. Muller
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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
Synthèse ionique de nanocristaux fonctionnels
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Personnes impliquées : D. Muller |
En construction