Couche mince

Une couche mince (thin film) est un revêtement dont l’épaisseur peut varier de quelques couches atomiques à une dizaine de micromètres. Ces revêtements modifient les propriétés du substrat sur lesquels ils sont déposés. Ils sont principalement utilisés :

• dans la fabrication de composants électroniques telles des cellules photovoltaïque en raison de leurs propriétés isolantes ou conductrices ;
• pour la protection d'objets afin d'améliorer les propriétés mécaniques, de résistance à l’usure, à la corrosion ou en servant de barrière thermique. Il s'agit, par exemple, du chromage.
• pour modifier les propriétés optiques d'objets. En particulier, citons les revêtements décoratifs (exemple de la dorure) ou modifiant le pouvoir réflecteur de surfaces (verres anti-reflets ou miroirs).

Les couches minces étant des nano-objets dans une direction de l'espace, les propriétés physiques et chimiques des couches minces peuvent différer de celles des objets macroscopiques selon toutes leurs dimensions. Par exemple, un matériau isolant lorsqu'il est de dimensions macroscopiques peut devenir conducteur électrique sous forme de couche mince du fait de l'effet tunnel.

Fabrication d'une couche mince

• Revêtements galvaniques :

Historiquement, les premières couches minces ont été réalisées par voie humide grâce à une réaction chimique menant à la précipitation de précurseurs en solution sur un substrat. On peut citer dans ce cas la formation du miroir d'argent par la réduction d'ions Ag⁺ (par exemple solution de nitrate d'argent AgNO₃) par des sucres.

• Dépôt par le procédé sol-gel.
• Par enduction centrifuge (ou spin-coating) :

Les couches minces sont formées par l'évaporation d'un solvant sur le substrat tournant à grande vitesse.

• Dépôt sous vide :
  • Revêtements PVD (dépôt physique en phase vapeur) :

Les couches sont formées par la condensation de matière préalablement évaporée. L’évaporation de la matière source peut être d’origine thermique, dû à un bombardement d’électrons. Grâce à cette méthode, on peut déposer des métaux, des alliages ou des céramiques.

• • Revêtements CVD (dépôts chimique en phase vapeur) :

Les couches sont formées par la condensation de gaz qui réagissent ou se décomposent à la surface du substrat.

Caractérisation de la couche mince

Épaisseur

L'épaisseur d'une couche mince est un paramètre essentiel déterminant ses propriétés. Dans le cas de couches minces transparentes à la lumière visible, on peut utiliser des méthodes interférométriques (franges d'interférence entre les rayons réfléchis sur la surface de la couche et ceux réfléchis à l'interface couche mince-substrat).

Lorsque cela s'y prête, on peut utiliser les rayons X :

• par diffractométrie de rayons X :
  • méthode dite de « réflectométrie », similaire aux interférences des ondes lumineuses ; on voit des oscillations du signal lorsque l'on déplace le détecteur ;
  • méthode par incidence rasante : on fait balayer le détecteur autour d'un pic caractéristique du substrat (si celui-ci est cristallisé), pour une incidence des rayons X donnée ; on augmente l'incidence, et lorsque l'on voit apparaître le pic, la loi de Beer-Lambert permet d'estimer l'épaisseur de la couche ;
• par spectrométrie de fluorescence X : soit on mesure l'absorption d'une raie émise par le substrat, soit on mesure l'intensité d'une raie émise par la couche mince ; cette méthode peut aussi permettre de déterminer la composition chimique de la couche.

Texture

Pour avoir des informations sur la texture de la couche mince en surface, comme la présence d'agglomérats, il est possible d'utiliser

• la microscopie électronique à balayage
• la microscopie à effet tunnel.

Dans le domaine photovoltaïque

La couche (isolante et/ou conductrice) peut varier de quelques atomes d'épaisseur à une dizaine de micromètres.
Elle modifie les propriétés du substrat sur lequel elle est déposée. Les couches minces offrent des rendements plus faibles que les cellules à base de silicium cristallin, elles sont plus difficiles à produire, mais diminuent fortement les coûts de fabrication (moindre consommation de métaux et d'énergie). En 2010, les couches minces dominant le marché étaient :

• le silicium (mono ou multi-cristallin et amorphe) ;
• le tellurure de cadmium (CdTe) ;
• le di-séléniure de cuivre-indium (CIS).

En France, ce sont l'INES, Solsia, Alliance Concept et quelques autres entreprises qui semblent porter les actions de recherche et développement sur ces thèmes.

Annexes

Articles connexes

• Énergie propre
• Énergie solaire photovoltaïque
• Solaire thermique
• World Solar Challenge
• Stockage d'énergie
• Panneau solaire
• Commissariat à l'énergie solaire
• Institut national de l'énergie solaire
• Tenerrdis
• Solar Impulse
• Agence Internationale de l'Energie Renouvelable
• Solar decathlon
• Scratch Test
• VINF, Institut européen dont le but est de rassembler les recherches sur la couche mince
• Appareil de mesure d'épaisseur de revêtement

Liens externes

• (en) Power from the Sun par William B. Stine et Michael Geyer, 2001
• Fabrication de couches minces

Bibliographie

• (en) Anders, Andre (editor), Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition (2000) Wiley-Interscience ISBN 0-4712-4698-0
• (en) Bach, Hans and Dieter Krause (editors), Thin Films on Glass (2003) Springer-Verlag ISBN 3-540-58597-4
• (en) Birkholz, M., with contributions by Fewster, P. F. and Genzel, C., Thin Film Analysis by X-ray Scattering (2006) Wiley-VCH, Weinheim ISBN 3-527-31052-5
• (en) Bunshah, Roitan F. (editor), Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, second edition (1994)
• (en) Glaser, Hans Joachim, Large Area Glass Coating (2000) Von Ardenne Anlagentechnik GmbH ISBN 3-00-004953-3
• (en) Glocker and I. Shah (editors), Handbook of Thin Film Process Technology, Vol.1&2 (2002) Institute of Physics ISBN 0 7503 0833 8 (2 vol. set)
• (en) Mahan, John E., Physical Vapor Deposition of Thin Films (2000) John Wiley & Sons ISBN 0-471-33001-9
• (en) Mattox, Donald M., Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing (1998) Noyes Publications ISBN 0-8155-1422-0
• (en) Mattox, Donald M., The Foundations of Vacuum Coating Technology (2003) Noyes Publications ISBN 0-8155-1495-6
• (en) Mattox, Donald M. and Vivivenne Harwood Mattox (editors), 50 Years of Vacuum Coating Technology and the Growth of the Society of Vacuum Coaters (2007), Society of Vacuum Coaters ISBN 978-1-878068-27-9
• (en) Westwood, William D., Sputter Deposition, AVS Education Committee Book Series, Vol. 2 (2003) AVS ISBN 0-7354-0105-5
• (en) Willey, Ronald R., Practical Monitoring and Control of Optical Thin Films (2006) Willey Optical, Consultants (ISBN 978-06151-3760-5)
• (en) Willey, Ronald R., Practical Equipment, Materials, and Processes for Optical Thin Films (2007) Willey Optical, Consultants (ISBN 978-06151-4397-2)
• (en) Ohring, Milton, Materials Science of Thin Films: Deposition and Structure 2nd edition (2002) Elsevier, Inc. ISBN 978-0-12-524975-1