Couche mince

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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.

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.

Croissance[modifier | modifier le code]

La fabrication des couches minces se fait par déposition sur un substrat ou sur une couche mince antérieurement déposée. Les méthodes utilisées visent le contrôle de la stœchiométrie, de l'épaisseur et de la structure atomique des couches formées. Ceux-ci se classent en deux sous-catégories générales : chimiques ou physiques.

Déposition chimique[modifier | modifier le code]

Les nombreux procédés appartenant à cette catégorie sont dominés par les réactions chimiques menant à la croissance de la couche mince.

On retrouve plusieurs variantes de dépositions chimiques :

Déposition Physique[modifier | modifier le code]

La plupart des techniques physiques utilisent des gaz à basse pression pour créer les couches minces. Les couches sont formées par la condensation de matière préalablement évaporée. Ce sont donc des dépositions physiques en phase vapeur (PVD). L’évaporation de la matière source est d’origine physique, i.e. mécanique, électromécanique ou thermodynamique. Par exemple, la source de matière peut être chauffée par un bombardement d’électrons, un courant électrique, ou simplement pulvérisée par un laser puissant.

Caractérisation de la couche mince[modifier | modifier le code]

Épaisseur[modifier | modifier le code]

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).

Article détaillé : Interférence par une couche mince.

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[modifier | modifier le code]

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

Dans le domaine photovoltaïque[1][modifier | modifier le code]

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 :

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[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (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)

Références[modifier | modifier le code]

  1. Rapport d’information sur l'énergie photovoltaïque déposé par la Commission des affaires économiques (juin 2009)