Couches conductrices transparentes d'argent pour vitrages à isolation thermique et électrodes d'OLEDs – COCOTRANS

Ce projet concerne les technologies où des couches conductrices transparentes sont à l’œuvre.
La première application de ces couches concerne les vitrages dits ‘’à isolation thermique renforcée’’, qui réfléchissent le rayonnement infrarouge thermique vers l’intérieur de l’habitat et limitent ainsi les déperditions de chaleur par les fenêtres. On les appellera dans la suite vitrages bas-émissifs. L’argent est le matériau le plus utilisé car, étant le plus conducteur, il est le meilleur réflecteur. Les couches doivent être très minces pour préserver la transparence optique. La quantité de vitrages à couches de ce type produits est énorme : de l’ordre de la centaine de km² par an, ce qui correspond à un marché de l’ordre d’un milliard d’euros. Saint-Gobain possède environ 15% du marché. Il est vital pour maintenir cette part de marché d’améliorer encore les performances thermiques radiatives.
De nouveaux besoins en couches conductrices transparentes ont vu le jour ; c’est le domaine de l’électronique transparente : écrans plats, sources de lumière plane (OLEDs), panneaux photovoltaïques, vitrages « intelligents ». Saint-Gobain est présent sur ces nouveaux marchés qui sont énormes et pense que l’introduction d’électrodes basées sur les couches d’argent lui apportera un grand avantage concurrentiel, grâce à leur coût moindre et à la disponibilité garantie des matières premières qui sont utilisées, ce qui n’est pas le cas des couches ITO, du fait des faibles ressources en indium. Il s’agit donc d’une innovation de rupture.

La mise au point de ces deux catégories de produits comprend deux aspects : i) l’amélioration de la conductivité de la couche d’argent et ii) la réalisation d’un contact ohmique entre la couche d’argent et les couches d’oxyde situées de part et d’autre.
Le projet COCOTRANS comprend trois volets dont deux concernent la compréhension physique et la caractérisation d’une part du transport dans le plan des couches et d’autre part du contact aux interfaces. Le troisième volet concerne les procédés d’amélioration de ces caractéristiques.

On observe une augmentation significative de la résistivité quand l’épaisseur de la couche d’argent diminue. Elle s’explique par une diminution du libre parcours moyen des électrons du fait de leur scattering par les deux surfaces de la couche et par les joints de grains. Mais, il est difficile de faire la part entre ces deux mécanismes et il n’y a pas aujourd’hui de consensus sur le sujet. Nous aborderons cette question d’une façon totalement originale, en étudiant le transport d’électrons chauds injectés dans la couche sur sa tranche à l’aide de la pointe d’un microscope à effet tunnel. Ces expériences seront complétées par la spectroscopie optique et par l’examen des propriétés de mouillage Ag/ZnO et de la morphologie des grains en cours de croissance.
Le deuxième volet du projet concerne le transport électronique dans la direction perpendiculaire à la couche aux interfaces argent/oxyde. Les jonctions entre métal et oxyde constituent un sujet de grande actualité. Si l’on considère ZnO, l’oxyde le plus utilisé, on a à peine franchi le stade empirique d’essais de différents métaux pour distinguer ceux qui forment avec ZnO un contact ohmique de ceux qui conduisent à une barrière Shottky. Dans ce volet, l’approche expérimentale se fera par spectroscopie d’électrons et par spectroscopie en champ proche en cours de croissance, et par mesures des caractéristiques I(V).
Le volet ‘procédé’ consistera à faire progresser la qualité de l’interface argent/oxyde sur différents critères : taille et propreté des joints de grains, caractère réfléchissant aux électrons des interfaces argent/oxyde, caractère ohmique de la jonction argent/oxyde. Pour cela, on mettra en œuvre plusieurs procédés, comme le dépôt d’une couche intermédiaire ultrafine entre l’argent et l’oxyde, la planarisation par bombardement ionique de la couche d’oxyde avant dépôt de l’argent, ou le dépôt des couches à température élevée.