Équipe MaCÉPV - Matériaux pour Composants Électroniques et Photovoltaïques

Ingénierie des matériaux pour l’électronique

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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.



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.


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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.



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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Nanocristaux de GaN obtenus par implantations dans des matrices diélectriques et traitements thermiques ou thermocatalytiques sous atmosphère réductrice azotée

Personnes impliquées : F. Le Normand, C. Speisser, N. Javahiraly, D. Muller


Collaborations : Lilia Aggar (thèse), Prof D. Bradai, M. Abdesselam (Université Alger) / C. Bouillet, M. Gallart (IPCMS/Strasbourg)


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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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.



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.


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Synthèse de graphène par implantation/diffusion de carbone dans une matrice métallique

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).


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Ingénierie de nanoparticules

Personnes impliquées : G. Ferblantier, D. Muller, E. Steveler


Collaborations : GPM (Rouen)


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.


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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

Contrôle de Q-bits dans semiconducteurs grand gap

Personnes impliquées : D. Muller


Collaborations : J. Tribolet (Institut Chimie Strasbourg), C. Couteau, M. Lazar (L2n Troyes)

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.


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