Soutenance mémoire
Par principe, une couche mince d’un matériau donné est un élément de ce matériau dont l’une des dimensions, l’épaisseur, est faible de telle sorte qu’elle s’exprime en nanomètre, correspondant à la distance entre deux surfaces limites. Lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépassera un certain seuil, 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, quelle que soit la procédure employée pour sa fabrication, qu’une couche mince est toujours solidaire d’un substrat sur lequel elle est construite. 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.
Techniques de déposition des couches minces
Les techniques permettant de produire des matériaux en couches minces sont très nombreuses. Citons, ci-dessous, les techniques les plus connues :
– La pulvérisation cathodique.
– L’évaporation sous vide.
– Ablation laser.
– Le dépôt chimique en phase vapeur.
– Sol gel.
– Epitaxie par jet moléculaire.
Procédé physique
Pulvérisation cathodique
Le mécanisme physique à la base de cette technique de dépôt est la pulvérisation des atomes de la cible (le matériau à déposer), suite au bombardement ionique de cette dernière par des ions Ar+, créés et accélérés à partir d’un plasma. On crée ce dernier par la présence d’un gaz d’argon à pression réduite entre deux électrodes (cathode et anode) portées à une haute tension de quelques kilovolts. Le processus est comme suit :
a. Les électrons libres dans le gaz sont accélérés par la haute tension et viennent frapper les atomes d’Argon.
b. Il y a ionisation du gaz avec formation d’ions Ar+
c. Ces ions Ar+ sont ensuite accélérés vers la cible
d. Sous l’effet de ce bombardement ionique par des ions lourds Ar+, des atomes de la cible sont éjectés par collisions et traversent ensuite le plasma (gaz ionisé) pour se déposer sur le substrat.
La technique de pulvérisation cathodique est l’une des méthodes les plus utilisées pour des dépôts de couches minces. Cette méthode présente beaucoup d’avantages, mais elle est délicate à mettre en œuvre dans le cas des films minces d’alliages car il est très difficile de contrôler la composition chimique.
Evaporation sous vide
Contrairement à la pulvérisation cathodique qui est basée sur un principe mécanique de bombardement ionique, l’évaporation sous vide est basée sur un principe thermique. Ainsi l’échauffement permet à la matière d’atteindre son point de fusion puis, dans un second temps son point de vaporisation. Cette technique repose sur deux processus élémentaires : l’évaporation d’une source chauffée et la condensation à l’état solide de la matière évaporée sur le substrat. Cela ressemble quelque peu au procédé qui voit l’eau liquide apparaître sur le couvercle d’une casserole d’eau bouillante : l’eau liquide est évaporée et se condense sur le couvercle qui est l’équivalent de la cible du dépôt.
L’évaporation a lieu sous vide, c’est-à-dire dans un environnement gazeux, contenant extrêmement peu de particules pour qu’il n’y ait pas de collision entre ces dernières et celles du matériau durant sa propagation.
Cette technologie permet de maîtriser de façon très précise les épaisseurs des couches déposées (quelques nanomètres). Mais l’inconvénient de cette technique est que dans un milieu vide poussé, la plupart des produits passant directement de l’état solide à l’état gazeux et les gaz générés au contact du creuset ont tendance à éjecter le produit hors du creuset.
Epitaxie par jet moléculaire (EJM)
C’est un procédé dans lequel un ou des jets thermiques d’atomes ou de molécules réagissent sur la surface propre d’un substrat monocristallin, maintenu à haute température et sous ultravide, pour former un film épitaxique. Avant le début de la manipulation, un vide très poussé (10⁻¹⁰ à 10⁻¹¹ Torr) est créé de façon à ce que le flux moléculaire ne soit pas perturbé. Le principe consiste à chauffer puis placer le substrat dans la chambre d’épitaxie et ensuite évaporer les éléments à déposer par effet joule.
Par le contrôle des cellules d’évaporation, un jet de molécules est créé en direction du substrat : Reflexion High Energy Electron Diffraction (RHEED) . Ce processus est accompagné d’une caractérisation. On obtient ainsi une très grande précision de croissance, des jonctions très abruptes, mais cette opération est très lente et ne concerne qu’un seul substrat à la fois. La vitesse de croissance est de l’ordre de 1nm par minute.
Ablation laser
C’est une technique plus récente qui consiste à focaliser un faisceau laser pulsé sur une cible constituée du matériau à déposer. L’interaction cible-faisceau entraîne l’arrachage de la matière constituant la cible qui peut ainsi venir se déposer sur un substrat placé en vis-à-vis de la tâche laser.
Le principe est comme suit :
– D’abord, le faisceau laser interagit avec la cible et la surface de la cible est chauffée localement et portée en fusion.
– Puis, le laser interagit avec la matière à évaporer pour former un gaz partiellement ionisé.
– Enfin, le gaz se propage à la surface de la cible. Les éléments du plasma partiel arrivent sur le substrat avec une énergie de 1eV à quelques centaines d’eV.
Les avantages liés à cette technique sont liés à la versatilité d’emploi du faisceau laser, autorisant un contrôle très précis des conditions d’utilisation. En revanche, cette technique présente l’inconvénient d’être très directive, ce qui limite les dimensions des dépôts et la vitesse de dépôt.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Généralités sur les couches minces
I.1. Introduction
I.2. Technique de déposition des couches minces
I.2.1. Procédé physique
II.2.2. Procédé chimique
I.3. Caractérisation des couches minces
I.3.1. Spectroscopie d’électrons Auger
I.3.2. Diffraction d’électrons lents ou LEED
I.3.3. Diffraction d’électrons de hautes énergies ou RHEED
I.3.4. Rutherford BackScattering (RBS)
I.4. Notion sur la cristallographie
I.4.1. Terminologies et définitions
I.4.2. Les types de réseaux fondamentaux
I.4.3. Structure atomique des surfaces
I.4.4. Mode de croissance cristalline
I.4.5. Mécanisme de croissance cristalline
I.4.6. Paramètres cristallins du système à étudier
Chapitre II : Méthode de simulation numérique par la Dynamique Moléculaire
II.1. Introduction
II.2. Méthode
II.2.1. Exploration de l’espace des phases
II.2.2. Ensembles statistiques : contraintes imposées par le milieu extérieur
II.2.3. Équations du mouvement
II.2.4. Résolution des équations du mouvement : les algorithmes
II.2.5. Conditions périodiques aux bords: simulation de milieux continus
II.3. Le potentiel interatomique Embedded Atom Method (EAM)
II.3.1. Introduction
II.3.2. Méthode analytique du potentiel EAM
II.3.3. Allure du potentiel EAM
Chapitre III : Etude du système par la Dynamique Moléculaire
III.1. Introduction
III.2. Système Pt-Pt
III.2.1. Croissance : courbe de remplissage
III.2.2. Structure
III.3. Système Pt-Cu
III.3.1. Croissance
III.3.2. Structure
III.4. Comparaison des résultats dans chaque système
Conclusion générale
