Couche mince d’un matériaux

Couche mince d’un matériaux

Une couche mince d’un matériau est telle que l’une des dimensions qu’on appelle l’épaisseur fortement réduite de telle sorte qu’elle s’exprime en Angstrom et que cette faible distance entre les deux surfaces limite (quasi bidimensionnelle) entraine une perturbation de la majorité des propriétés physique . La différence essentielle entre le matériau à l’état massif en celui en couches minces est liée au fait que dans l’état massif on néglige généralement avec raison le rôle des limites dans les propriétés. Tandis que dans une couche mince, ce sont au contraire les effets liés aux surfaces imites qui sont prépondérants. Il est assez évident que plus l’épaisseur sera faible et plus cet effet de bidimensionnelle sera important, et qu’inversement lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépassera un certain seul l’effet d’épaisseur deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif. La seconde caractéristique essentielle d’une couche mince est que, quelle que soit la procédure employée pour sa fabrication, une couche mince est toujours solidaire d’un support sur lequel elle est construite (même s’il arrive parfois que l’on sépare le film mince du support). En conséquence, il sera impératif de tenir compte de ce fait majeur dans la conception, à savoir que le support influe très fortement sur les propriétés structurales de la couche qui y est déposée. Ainsi, une couche mince d’un même matériau, de même épaisseur, pourra avoir des propriétés physiques sensiblement différentes selon qu’elle sera déposée sur un substrat isolant amorphe tel que le verre, ou un substrat monocristallin de silicium par exemple, il résulte de ces deux caractéristiques essentielles d’une couche mince la conséquence suivante : une couche mince est anisotrope par construction. 

Méthodes d’élaborations des couches minces

L’élaboration d’une couche mince est une étape décisive car les propriétés physiques du matériau. Les méthodes d’élaboration peuvent être classées en deux catégories : méthode physique et méthode chimique. 

Dépôt physique en phase vapeur

La technique PVD consiste simplement à évaporer le matériau à déposer. Ce dernier étant dans un creuset sous vide est chauffé à haute température à l’aide d’un filament par effet joule ou l’aide faisceau d’électrons intense et énergétique ou bien à l’aide d’un laser. Une fois évaporé, le matériau se dépose par condensation sur le substrat formant ainsi la couche mince recherchée . 

L’évaporation thermique

La technique d’évaporation thermique est très simple. Elle consiste simplement à chauffer un matériau placé dans un creuset, le flux de matériau évaporé suit une ligne droite à partir de la source au substrat .

L’évaporation par faisceau d’électron

L’évaporation par faisceau d’électrons est une technique qui consiste à évaporer un matériau placé dans un creuset porté à haut température par le bombardement d’un faisceau d’électrons émis par un filament de tungstène chargé. 

La pulvérisation 

Cette technique est fréquemment utilisée pour produire des couches minces avec un courant continu (DC) ou radiofréquence (RF). La technique utilise le plasma formé par l’argon et l’oxygène. La pulvérisation est un processus qui peut se définir comme étant l’éjection d’atomes superficiels d’une cible suite à sa collision par des atomes neutres et ionisés d’un gaz rare et le transfert de ces atomes éjectés sur un substrat que l’on désire recouvrir d’une couche mince. 

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

 La technique CVD peut produire des matériaux solides de propriété très performant et d’une grande pureté ; ce qui fait d’elle une méthode efficace pour la croissance des nano fils de ZnO [4]. Ce procédé consiste à mettre le substrat en contact avec un plusieurs précurseurs en phase gazeuse, sous vide et dans une atmosphère contrôlée. Les précurseurs auront la capacité de réagir et /ou se décomposant à la surface du substrat pour produire le dépôt voulu. Les sousproduits en phase générés par les réactions chimiques, seront évacués par le flux gazeux présent, dans la réaction. 

Avantages principaux des technique CVD sont les suivants 

 L’obtention des couches de bonne qualité.  Un excellent pouvoir de recouvrement.  La facilité d’obtenir un grand nombre d’élément ou de composés chimique, notamment des revêtements contenant de l’hydrogène.  Production de films uniformes, bien adhérent, à une vitesse de dépôt assez élevée, avec une bonne reproductibilité.  Prix raisonnable pour la technique CVD conventionnelle . 

Inconvénients des technique CVD 

 Plusieurs paramètres entrent en jeu et être contrôles : la concentration de vapeur, la composition du gaz, la température, le flux du gaz…  Une décomposition incomplète des précurseurs peut laisser des impuretés indésirables dans le dépôt. 

Les méthodes de spray pyrolyse et sol-gel 

Les méthodes de spray pyrolyse et sol gel sont des techniques employant des solutions comme précurseurs. Pour ce genre de technologie à solution, la vitesse de retrait du liquide est un important paramètre qui peut affecter directement la porosité de la couche . La méthode de dépôt d’être par voie sol-gel présente l’avantage d’être assez simple à mettre en œuvre et d’être peu couteuse. Elle ne nécessite pas d’équipements lourds et spécifiques comme la MOCVD « Métal organique chemical évapore déposition » et s’effectue sans vide.

Elaboration des couches minces par la voie sol-gel (spin-coating) 

Dans ce travail, le choix des méthodes d’élaboration des couches minces de ZnO c’est porté sur la méthode sol-gel suite aux multiples avantagés. La source solide est occasionnellement transformée en vapeur par voie chimique. Dans d’autre cas, le matériau de base est sous forme d’un gaz ou d’un liquide ayant une pression de vapeur suffisante pour qu’il soit transporté à des températures modérées. Les procèdes qui utilisent, comme matériau de base, les gaz, les liquides évaporés ou solides évaporés par voie chimique sont connues sous le nom de dépôt chimiques en phase vapeur, i.e. CVD (chimical vapor deposition)