Contrôle à l’échelle atomique de couches ultra minces de dichalcogènures de métaux de transition par voie de dépôts de couches moléculaires (ALD/MLD) – ULTiMeD

Le principal défi visé par le projet ULTiMeD est de contrôler la synthèse de plans de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) par une méthode de dépôt chimique par flux alternés («bottom up»). Les TMD forment une classe de matériaux émergents à fort potentiel en microélectronique. Les matériaux ciblés sont MoS2, pour lequel le consortium possède une première preuve de concept [CAD2017-1], SnS2, TiS2 et GaSx (le consortium mène actuellement des recherches sur GaSx). L'originalité de la méthode de synthèse est basée sur l’obtention d’un film (amorphe) intermédiaire, un métal-thiolate (polymère), déposé par ALD (Atomic Layer Deposition) et MLD (Molecular Layer Deposition), suivi d'un traitement thermique (recuit) pour obtenir la phase cristalline finale (métal = Mo, Sn, Ti, Ga). Nous explorerons la possibilité d'obtenir par cette méthode des hétérostructures 2D constituées d’un empilement de type TMD/matériaux graphitiques. Ce travail pourrait conduire à obtenir de nouvelles électrodes ou contacts électriques, en particulier de type p+, n’utilisant pas de métaux nobles ou coûteux. Par ailleurs, il est bien connu que le précurseur H2S, lequel est la source de soufre couramment utilisée dans la technologie des films minces sulfurés, pose des problèmes de manipulation et d’utilisation du fait de sa très forte toxicité. Comme alternative, le projet ULTiMeD propose une autre méthode qui consiste à substituer H2S par l’éthanedithiol. Nous pensons que l'un des avantages probables de cette molécule (ethanedithiol) est de limiter/inhiber la formation d'oxysulfures plutôt que de sulfures, un piège connu avec H2S. À ce jour, il est nécessaire de mieux comprendre les réactions chimiques à l’œuvre à la surface du substrat et dans la couche (metal-thiolate), en cours de dépôt et du recuit. Par conséquent, l'un des principaux efforts du projet ULTiMeD est de mettre en oeuvre une suite d'outils théoriques et expérimentaux complémentaires pour déterminer les voies de réaction chimiques et effectuer des études chimiques, spectroscopiques et structurales in situ, en cours de dépôt et du recuit. La modélisation ab initio du dépôt ALD/MLD sera obtenue par la théorie de la fonctionnelle de la densité (Density Functional Theory). Nous utiliserons des techniques de caractérisation structurales et chimique dans nos laboratoires comme par exemple la spectroscopie Raman in situ (en cours de recuits), l’ellipsométrie at l’analyse résiduelle de gaz en cours de croissance et recuit, la fluorescence X haute résolution, XPS, DRIFT, ... De plus, nous utiliserons un réacteur dédié (MOON) qui permettra d’étudier les premiers stades du dépôt ALD/MLD et l'évolution du film lors du recuit thermique grâce au rayonnement synchrotron et des techniques comme la fluorescence, l'absorption et la diffraction, présentent sur la ligne SIRIUS à SOLEIL (St Aubin). Les calculs ab initio fourniront un outil très puissant pour l'interprétation des données structurales et spectroscopiques.
Le projet ULTiMeD permettra d’aboutir à un contrôle amélioré du processus en 2 étapes ci-dessus mentionné (dépôt ALD/MLD suivi d'un recuit en route vers la phase finale cristalline), et nous donnera la capacité de façonner à l’échelle atomique les propriétés des sulfures, sur de grande surface. Notre méthodologie est originale et puissante, elle ouvre la possibilité de développer de nouveaux matériaux émergents à base de soufre, en particulier des plans de dichalcogénures de métaux de transition (MoS2, SnS2, TiS2) et leurs hétérostructures 2D (lamellaire hybride) avec des plans graphitiques.