Etude de la formation de couches minces nanocomposites fonctionnelles par couplage PVD avec un jet de nanoparticules

Etude de la formation de couches minces nanocomposites fonctionnelles par couplage PVD avec un jet de nanoparticules

Figure 1. Revêtement nanocomposite à base de nanoparticules de silicium (Si) enrobées dans une matrice de silice (SiO₂).

L’étude de l'élaboration de couches minces nanocomposites fonctionnelles est développée dans le cadre du projet ANR HYMALAYAN (2015-2019). Ce projet propose la réalisation par un procédé original, en une seule étape et de manière confinée, de couches nanocomposites contrôlées in situ.

Les nanocomposites se présentent sous la forme de nanoparticules (NP) de 4 à 100 nm distribuées de façon homogène dans une matrice (voir Figure 1), sans limitation de compositions chimiques relative entre les nanoparticules et la matrice. Le procédé combine les jets de nanoparticules sous vide (JNV) et le dépôt en phase vapeur (PVD). Il tire parti de la souplesse des JNV produits par des lentilles aérodynamiques¹, qui permettent de s’adapter à toute méthode de synthèse de NP, et de celle de la PVD permettant la croissance de tout type de matrice.

L’hybridation de ces deux techniques est rendue possible par l’acheminement des nanoparticules par voie aérodynamique jusqu’au substrat, soit immédiatement après leur synthèse, soit à partir d’une suspension colloïdale. Le dépôt simultané des particules et de la matrice est réalisé sur la même face du même substrat. Le procédé est innovant en ce qu’il permet un choix a priori illimité dans les compositions chimiques respectives des nanoparticules et de la matrice. La caractérisation des couches est effectuée en ligne pendant le dépôt par ellipsométrie in situ.

La source de nanoparticules peut être assurée par un procédé de synthèse de NP en phase gazeuse (la pyrolyse laser), ce qui en fait un procédé totalement "safe-by design", puisque les synthèses des NP et du matériau nanostructuré sont réalisées en une seule étape et dans le même dispositif confiné. Le projet comporte trois grands axes :

l’optimisation du procédé pour des grandes surfaces,
la caractérisation des dépôts (in situ et ex situ)
l’élaboration de composites pour des applications industrielles.

Notre effort de valorisation industrielle a pour objectif d'explorer et montrer toute la souplesse et les performances de ce procédé innovant sur des substrats d’une surface de l’ordre de 10 x 10 cm². une première action, piloté par la société DECAYEUX-STI, porte sur la réalisation de revêtements de nanoparticules d’or ou autre métal précieux dans une matrice de SiO₂ sur des objets manufacturés dans le domaine du luxe. L’objectif est l’obtention de couches adhérentes et denses présentant un aspect esthétique spécifique rendu par les propriétés optiques des nanoparticules. Le second volet, piloté par le CEA/IRAMIS, a pour objectif l’amélioration du rendement des cellules photovoltaïques au silicium par l’élaboration d’un matériau composé de nanocristaux de silicium dopés dans une matrice diélectrique [Lien Nanocristaux de Si pour le PV].

[1] In-situ characterization of nanoparticle beams focused with an aerodynamic lens by laser-induced breakdown detection
F.-A. Barreda, C. Nicolas, J.-B. Sirven, F.-X. Ouf, J.-L. Lacour, E. Robert, S. Benkoula, J. Yon, C. Miron & O. Sublemontier, Sci. Report 5 (2015) 15696 .

Contact : Olivier Sublemontier.

#2908 - Màj : 26/07/2023