{"id":676,"date":"2024-09-24T12:24:01","date_gmt":"2024-09-24T12:24:01","guid":{"rendered":"https:\/\/biblioconf.lpgp.universite-paris-saclay.fr\/wordpress\/?page_id=676"},"modified":"2024-11-12T15:29:51","modified_gmt":"2024-11-12T15:29:51","slug":"films-ultra-minces-et-nanoparticules-par-plasma-magnetron","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.lpgp-wp1.universite-paris-saclay.fr\/fr\/films-ultra-minces-et-nanoparticules-par-plasma-magnetron\/","title":{"rendered":"Films ultra-minces et nanoparticules par plasma magn\u00e9tron"},"content":{"rendered":"\n

FILMS ULTRA-MINCES ET NANOPARTICULES PAR PLASMA MAGN\u00c9TRON<\/h1>\n\n\n\n
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CONTACT : PIERRE BILLAUD <\/p>\n\n\n\n

1) Films ultra-minces
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Les couches minces et ultra-minces (< 100 nm) trouvent de nombreuses applications en optique, \u00e9lectronique, \u00e9lectrotechnique, photonique, spintronique, a\u00e9rospatiale, sant\u00e9, pile \u00e0 combustible, etc. Une m\u00e9thode tr\u00e8s efficace de r\u00e9alisation de ces films est la pulv\u00e9risation cathodique, proc\u00e9d\u00e9 de la famille PVD (Physical Vapor Deposition). C\u2019est le proc\u00e9d\u00e9 de pulv\u00e9risation cathodique magn\u00e9tron qui est le plus utilis\u00e9. Le plasma peut \u00eatre cr\u00e9\u00e9 en courant continu (DCMS \u2013 Direct Current Magnetron Sputtering), en radiofr\u00e9quence (RF), en mode impulsionnel haute puissance (HiPIMS \u2013 High Power Impulse Magnetron Sputtering) ou encore en mode hyper-puissance (HyPIM \u2013 Hyper Power Impulse Magnetron). Nous disposons \u00e9galement des syst\u00e8mes de type arc (sous vide ou proche de la pression atmosph\u00e9rique). Le laboratoire dispose d\u2019une salle blanche et plusieurs r\u00e9acteurs magn\u00e9tron (multi-cibles) permettant la croissance de diff\u00e9rents films mono-\u00e9l\u00e9ment (m\u00e9tal, carbone, silicium, etc.), des empilements de plusieurs nano-couches, ou des compos\u00e9s (oxides, nitrures, oxi-nitrures, etc.)[REF 1,2].
A titre d\u2019exemple, des couches de cuivre (Cu) \u00e9pitaxi\u00e9es ont pu \u00eatre r\u00e9alis\u00e9es par magn\u00e9tron HiPIMS (Figure a \u2013 [REF 3]). La conductivit\u00e9 \u00e9lectrique de ces couches est proche de celle obtenue par arc filtr\u00e9 et tr\u00e8s proche de celle du massif pour des \u00e9paisseurs bien inf\u00e9rieures \u00e0 100 nm (Figure b \u2013 [REF 4]). Notons que le proc\u00e9d\u00e9 utilis\u00e9 est facilement accessible et que ces films ont \u00e9t\u00e9 obtenus sans pr\u00e9-traitement du substrat.<\/p>\n\n\n\n

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a) Croissance d\u2019une couche ultra-mince (< 100 nm) \u00e9pitaxi\u00e9e de Cu [REF 3]<\/em>
b) comparaison de la r\u00e9sistivit\u00e9 \u00e9lectrique en fonction de l\u2019\u00e9paisseur du d\u00e9p\u00f4t entre le proc\u00e9d\u00e9 conventionnel (DCMS) et HiPIMS [REF 4]. Pour un film de 100 nm, la r\u00e9sistivit\u00e9 est seulement 2 fois sup\u00e9rieure \u00e0 celle du massif.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Dans un second exemple, il est montr\u00e9 l\u2019effet interf\u00e9rom\u00e9trique multi-couches dans le cas de la r\u00e9duction de r\u00e9flectance d\u2019une surface super-r\u00e9fl\u00e9chissante (ici le Cu). Il est d\u00e9montr\u00e9 que la croissance conforme d\u2019un film ultramince (< 100 nm, ici en C de type DLC \u2013 Diamond Like Carbon) est possible sur des substrats de forte rugosit\u00e9 (> 2 \u00b5m). De plus, ce type de film semi-m\u00e9tallique et semi-transparent, absorbe une partie du rayonnement, mais il laisse aussi passer une partie qui se r\u00e9fl\u00e9chie sur le substrat (Cu). L\u2019onde ainsi r\u00e9fl\u00e9chie traverse une seconde fois le film et peut arriver en opposition de phase. A l\u2019aide d\u2019une mod\u00e9lisation \u00e9lectromagn\u00e9tique \u00e0 plusieurs interfaces il est donc possible d\u2019expliquer le ph\u00e9nom\u00e8ne observ\u00e9 exp\u00e9rimentalement mettant en \u00e9vidence une \u00e9paisseur optimale (entre 25 et 60 nm, suivant la longueur d\u2019onde). L\u2019absorption @ 1 \u00b5m passe de 99% \u00e0 30% environ (Figure 2, [REF 5]). L\u2019augmentation de l\u2019\u00e9paisseur de la couche au-del\u00e0 de 50 nm n\u2019am\u00e9liore pas le r\u00e9sultat et n\u00e9cessiterait un temps de d\u00e9p\u00f4t plus important. Notons \u00e9galement que le proc\u00e9d\u00e9 permet ais\u00e9ment un agrandissement d\u2019\u00e9chelle, comme tous les d\u00e9p\u00f4ts PVD.<\/p>\n\n\n\n

Ces films permettent une meilleure gestion de transfert de l\u2019\u00e9nergie et peuvent contribuer efficacement \u00e0 lutter contre le r\u00e9chauffement climatique.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 2 : Exemple d\u2019interf\u00e9rence destructive \u00e0 l\u2019aide d\u2019une couche de carbone de 50 nm environ sur une surface de cuivre de plusieurs \u00b5m de rugosit\u00e9. Le d\u00e9p\u00f4t conforme a \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9 par magn\u00e9tron DCMS. [REF 5]<\/em>
<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

2) Nanoparticules<\/h2>\n\n\n\n
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Un nouveau volet de cette activit\u00e9 vise \u00e0 produire par PVD des agr\u00e9gats de quelques atomes \u00e0 quelques dizaines d\u2019atomes voire des nanoparticules. L\u2019aspect fondamental vise \u00e0 mieux comprendre les ph\u00e9nom\u00e8nes de coalescence en phase gazeuses et la possibilit\u00e9 d\u2019avoir un proc\u00e9d\u00e9 s\u00e9lectif suivant la taille des nanoparticules. Le d\u00e9p\u00f4t d\u2019agr\u00e9gats (e.g.collaboration ILM) sur des substrats ad hoc (e.g. collaboration L2C) peut conduire \u00e0 la formation de nano-objets avec des formes ramifi\u00e9es. Ces nanostructures dendritiques multi-\u00e9chelles ( qq. nm \u00e0 qq. 100 nm) ayant une dimension fractale non enti\u00e8re (e.g. collaboration LAC), sont appel\u00e9es nanofractales (article en pr\u00e9paration). Une caract\u00e9risation par un montage optique au laboratoire de substrats recouverts de nano-structures visera d\u2019\u00e9largir le champ d\u2019\u00e9tude de leurs propri\u00e9t\u00e9s.
C\u00f4t\u00e9 applicatif, ce proc\u00e9d\u00e9 magn\u00e9tron visera de se proposer comme alternative \u00e0 l\u2019\u00e9vaporation thermique ou \u00e0 la vaporisation laser, dont la productivit\u00e9 et l\u2019agrandissement d\u2019\u00e9chelle restent questionnables.<\/p>\n\n\n\n

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[REF 1] F Cemin, M Tsukamoto, J Keraudy, V Antunes, UHelmersson, F Alvarez, T Minea, and D Lundin,<\/a>
Low-energy ion irradiation in HiPIMS to enable anatase TiO2<\/sub> selective growth<\/em><\/a>
2018 J. Phys. D: Appl. Phys. 51 (2018) 235301; doi: 10.1088\/1361-6463\/aac080<\/a><\/p>\n\n\n\n

[REF 2] F. Cemin, G. Abadias, T. Minea, D. Lundin<\/a>
Tuning HiPIMS discharge and substrate bias conditions to reduce the intrinsic stress of TiN thin films
<\/em>2019 Thin Solid Films 688 (2019) 137335-https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.tsf.2019.05.054<\/a><\/p>\n\n\n\n

[REF 3] F.Cemin, D. Lundin, C.Furgeaud, A. Michel, G.Amiard, T. Minea, and G. Abadias<\/a>
Epitaxial growth of Cu(001) thin films onto Si(001) using a singlestepHiPIMS process
<\/em>2017 Scientific Reports 7, 1655 ; doi:10.1038\/s41598-017-01755-8<\/a><\/p>\n\n\n\n

[REF 4] F. Cemin, D. Lundin, D. Cammilleri, T. Maroutian, P. Lecoeur, T. Minea<\/u><\/a>
Low electrical resistivity in thin and ultrathin copper layers grown by high power impulse magnetron sputtering<\/em><\/a>
2016 J. Vac. Sci Technol. A 34<\/strong>, 051506; doi: 10.1116\/1.4959555<\/a><\/p>\n\n\n\n

[REF 5] A. Crespi, Ch. Ballage, M-C Hugon, D. Lundin, T. Minea
<\/u>The role of amorphous nanocrystalline carbon film in the light interference of flexible copper foils<\/em><\/a>
ACS Appl. Electron. Mater., 4, (2)(2022) 576\u2013584, https:\/\/doi.org\/10.1021\/acsaelm.1c00520<\/a><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas<\/h3>\n\n\n\n

Bat 210, rue Henri Becquerel<\/p>\n\n\n\n

91405 Orsay Cedex<\/p>\n\n\n\n

T\u00e9l : (33) 01 69 15 72 51<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Mentions l\u00e9gales<\/a><\/p>\n\n\n\n

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