Etude Expérimentale de la résistance électrique des couches d’or d’épaisseur supérieure à 1000 A

MESURE DES TENSIONS ELASTIQUES SOUS VIDE

Le problème est de déterminer la nature des tensions internes, leur grandeur et leur variation dans une couche mince évaporée et maintenue sous vide~ La littérature montre que dans _la plupart des cas il est résolu en mesurant les déformations du support sur lequel la couche est déposée (6), (7), (B), (9), (10), Le choix parmi les nombreuses méthodes utilisables dans ce but est déterminé non seulement par la sensibilité nécessaire, mais aussi par la nature et l’état de surface du support qui sont des paramètres impos~s dans nos expériences. En effet nous désirons faire une étude comparative des évolutions de la résistance électrique et des tensions internes des couches minces d’or ; pour des raisons technologiques, les deux mesures sont faites sur deux échantillons distincts et pour que la comparaison soit valable il faut que ces deux couches soient déposées dans des conditions aussi voisines que possible, afin d’obtenir des structures et par conséquent des propriétés semblables. Dr, on sait que les « meilleures »couches sur support amorphe, c’est à dire celles qui ont les plus grands cristaux et les résistivités les plus faibles sont obtenues sur des substrats polis optiquement ; nous avons donc utilisé des supports de verre, du type « borosilicate », dont les deux faces étaient polies optiquement et dont l’épaisseur était comprise entre 1/10 et 2/10 de mm.

Montage Après nettoyage, une lamelle de verre est installée dans la cloche à vide oD elle repose en trois points sur un support annulaire solidaire de la platine. supérieure. Dans cette position, la lame peut à la fois recevoir sur sa face inférieure le métal_évaporé à pa~tir d’un creuset, et sur sa face supérieure un faisceau lumineux provenant de l’extérieur au travers d’un hublot, et permettant de mesurer ses_ déformations par interférométrie. A cet effet nous utilisons un interféromètre spécialement adapté à cette expérience, et réalisé à l’Institut d’Optique (11), (12). Il comporte un miroir plan de référence mobile et supporté élastiquement afin de permettre les réglages nécessaires tandis que l’autre miroir est constitué par la face supérieure de la lamelle de verre dont on étudie les déformations sous vide et que l’on a recouverte au préalable d’un dépôt réfléchissant d’or. En lumière monochromatique, on obtient par ce montage un système de franges d’égale épaisseur qui sont localisées sur les miroirs, et que l’on enregistre par photographie (fig. 3).

 Analyse des résultats

La lamelle de verre a un contour circulaire et repose sur trois pointes, sans contrainte si on néglige son poids ; elle est donc à bords libres et sans charge. La couche d’or a une épaisseur e suffisamment petite devant celle h du e -4 support ( h ~ 10 ) pour que d 1 une part on n’en tienne pas compte dans le calcul de la déformation, et que d’autre part, on considère que la tension ~ exercée est localisée dans le plan d’une face du substrat. Son adhérence étant par ailleurs suffisante pour éviter tout glissement, la tension est appliquée uniquement sur la périphérie de la lame, et dirigée suivant le rayon (fig. 6). La couche et la lame de verre étant supposées parfaitement homogèn~et d’épaisseur constante cela revient à appliquer un couple de flexion constant sur tout le périmètre de la lame. Dans ces conditions, elle prend la forme d’une calotte sphérique de rayon de courbure R, tel que : où E est le module d’YOUNG ct V le coefficient de POISSON pour le verre (13). Le résultat est valable dans la mesure où la flèche de la lame déformée est petite devant son épaisseur.

Dépouillement des clichés Les franges d’interférence entre un miroir plan et une surface sphériqu~ sont des anneaux de NEWTON ; on observe effectivement un système de franges sens~- blement circulaires et concentriques, mais néanmoins déformé par rapport au système idéal, indiquant que la calotte sphérique n’est pa$ parfaite. Les distorsions observées varient d’une expéricnce à l’autre (fig. 4 et 5), et nous pensons que leur cause principale est le manque d’homogénéité de la lame mince de verre. On observe en effet, en l’absence de couche d’or, des franges d’égale épaisseur distorduescntre la lame nue et le miroir do référence. Cotte déformation initiale varie avec l’échantillon, mais reste toujours de l’ordre de quelques franges, c’est à dire du micron. Par conséquent, le rayon de courbure de la lame déformée est défini avec une certaine indétermination, variable suivant les échantillons. Dans de nombreux cas, cette perturbation se traduit par une déformation elliptique des anneaux de NEWTON (fig. 5) ; on obtient alors une détermination correcte de l’évolution des tensions élastiques en suivant la variation du rayon de courbure selon un diamètre fixé, coïncidant par exemple avec l’un des axes de l’ellipse. La principale cause d’erreur est alors le déplacement sur la lame du système de franges provoqué par une dérive lente de la suspension élastique du miroir de référence.

On doit donc avant chaque photographie vérifier le centrage des anneaux par rapport à la lame, et éventuellement le corriger ; ce réglage ne peut être fait à mieux que mm près, ce qui introduit une erreur dans la mesure de l’évolution du royon ue courbure, dont l’importance varie avec la déformation initiale de la lame nue. Calcul du rayon de courbure R -considérons deux anneaux de ~ayo~ respectifs r. et r., où i et j sont les l J ordres d’interférence (fig. 7) on a 2 l ~ r. …_,. 2R ( i  » } 2 – 0 l – d’où 2 2 r. – r. l J (i-j) R.À ~~ : longueur d’onde de la lumière utilisée. Les dia~ètres sont mesurés directement sur la pellicule photographique, à l’aide d’un comparateur. La précision des pointés atteint couramment ~O d’interfrange, donc l’incertitude relative sur la valeur du diamètre décroît lorsque celui-ci augmente pour des anneaux parfaitement circulaires. La lame reposant par sa péri~ phérie sur son support, les anneaux se déplacent de moins en moins lorsqu’on s’éloigne de son centre ; on choisit un anneau de référence dont la position varie très peu au cours de l’expérience, donc situé le plus près possible du bord ; par combinaisons successives avec les autres anneaux, on calcule une série de valeurs du rayon de courbure R en tenant compte du grandissement (voisin de 1) de l’apparei photographique. La dispersion des résultats d6pend de la lame considérée, mais aussi du diamètre choisi pour faire les pointés ; on répète donc les mesures pour plusieurs directions de diamètres, et on conserve celles pour lesquelles la disoersion est minimum, correspondant à la section diamétrale de la lame la plus proche d’un arc de cercle.

Métal massif utilisé pour l’évaporation

Nous avons utilisé des échantillons d’or de puretés nominales différentes, respectivement 99,99, 99,999, et 99,9999 %. Nous n’avons pas noté d’influence marquante de ce facteur, tant sur la résistivité électrique que sur la structure. Les films épais étudiés ici ont été faits à partir d’un métal de pureté nominale 99,999, utilisé sous forme de fil de 3mm de diamètre. Nous avons mesuré la résistivité de cet échantillon à 20°C, pour la comparer à la valeur théorique 20° idéale p ph 2, 20 p. .Q cm. (62) 1°)- Sur le barreau d’or tel que nous le recevons du fournisseur, nous avons trouvé : ~ 20°C 2,29 .±. 0,02 tJ. S?.. • cm. 2°) -Le métal ayant été fortement écroui par le tréfilage, nous l’avons recuit sous vide, à 600°C environ pendant trois heures. La mesure de résistance après ce traitement conduit alors à : 20°C ~ 2,23 ± 0,02 J..l.Q • cm. L’accroissement de résistivité par rapport ‘ 1 1 th, . 20 a a va eur eorJ.que p pohc es t donc compris entre 1 et 2 %.

b) Influence de l’évaporation Malgré toutes les précautions prises pendant la préparation et la réalisation des évaporations, (décapage des surfaces, étuvage , cache fermé au début et à la fin de l’évaporation pour se garantir contre la distillation éventuelle de ce=taines impuretés du métal massif), on peut soupçonner le creuset, les gaz résiduels et le support d’introduire des impuretés dans la couche mince pendant ou après l’évaporation. Pour le vérifier, nous avons fait analyser simultanément un morceau de fil d’or massif, et une couche fabriquée sous ultra-vide à partir du même fil, dans les conditions habituelles. L’analyse a été faite par spectrométrie de masse à étincelles, dans le laboratoire de Monsieur Cornu, au Centre d’Etudes Nucléaires de Grenoble. Elle porte sur tous les éléments, à l’exception de H et Li ; faute de disposer d’un étalon, les teneurs sont données à un facteur près, mais l’analyse comparative est assurée à 20 ou 30% près, sauf pour les éléments dont plusieurs teneurs sont données, pour causes d’hétérogénéité. La sensibilité de la méthode est meilleure que une partie par million d’atomes ; nous reproduisons dans le tableau (I) les résultats concernant les principales impuretés rencontrées dans le métal. Globalement, le spectre des impuretés dans la couche est, à quelques exceptions près assez voisin de celui du métal massif. Bien que la teneur réelle soit généralement inférieure aux chiffres du tableau (d’un facteur 3 à 10 pour les alcalins), il est très probable que la pureté nominale donnée pour l’échantillon massif n’est pas atteinte en réalité.

La couche n’ayant pas été étuvée dans le spectromètre de masse, les teneurs relativement basses en C, N, 0 indiquent que la contamination de la couche aussi bien pendant sa formation que lors du passage à l’air est très réduite. Dans la quatrième colonne, nous avons mentionné les températures auxquelles les pressions de vapeur des métaux correspondants sont égales à 0,1 torr, car pour l’or la température correspondante (1646°C) est voisine de celle du creuset au moment de l’évaporation. On constate alors que certaines impuretés plus volatiles que l’or (Zn, Ag), sont « distillées », d’où l’intér~t de ne pas utiliser le début de la vaporisation~ Par contre, cette observation ne s 1applique pas aux alcalins et alcaline-terreux (Na, Ca) mais ces éléments de même que Ai et Si, sont tous susceptibles de provenir du support (borosilicate de baryum et d’aluminium poli au feu) ou des produits de nettoyage (Ca C0 3 , Na OH). Le seul élément en concentration nettement plus importante dans la couche que dans le métal massif, et dont on explique mal l’origine est le chlore ; l’eau de rinçage étant désionisée (2D.M~ de résistivité électrique à la sortie de l’appareil), il pourrait provenir d’une contamination accidentelle soit du support, soit de la couche, par l’atmosphère du laboratoire. Enfin on remarque que le creuset en tungstène n’introduit qu’une teneur négligeable de cet élément dans le dépôt, ce qui justifie a post~riori l’utilisation de ce procédé d’évaporation pour obtenir des couches d’or. En conclusion, cette analyse révèle que la couche est polluée essentiellement par le support, mais dans des proportions telles que son taux global d’impuretés reste comparable à celui du métal massif de départ, et ne peut certainement pas justifier l’accroissement de résistivité électrique mesuré à 20°C dans les films épais. La résistivité résiduelle introduite dans un métal par tO parties par millions d’atomes d’impuretés est en effet seulement de l’ordre de 1.10- 9 (« ) ù~ .cm (63).