Vers un contrôle intelligent et en temps réel de la croissance de nanostructures métalliques – IRMA

Le projet IRMA vise à développer des stratégies originales pour manipuler la morphologie et les propriétés optoélectroniques de nanostructures d’Ag (nanoparticules et couches continues ultra-minces) déposées en phase vapeur par pulvérisation magnétron à température ambiante. Cet objectif sera atteint via le déploiement sélectif d’espèces minoritaires, gazeuses ou métalliques, qui permettra d’améliorer le mouillage des couches d’Ag avec pour but ultime la production de couches conductrices d’épaisseur suffisamment faible pour préserver la transparence optique.
Pour cibler les étapes clés de la formation des nanostructures, IRMA propose une nouvelle approche expérimentale ambitieuse combinant :
- la mise en œuvre de diagnostics in situ à l’échelle du laboratoire (MOSS, SDRS, résistivité) permettant de fournir des informations en temps réel sur les propriétés optiques, électriques et sur l’évolution des contraintes en cours de dépôt (work package 1) ;
- l’analyse des surfaces dans un environnement sous ultra-haut vide (XPS et AFM) donnant des informations complémentaires sur les propriétés électroniques et chimiques, ainsi que sur la morphologie et la rugosité des films (work package 2) ;
- la mise en œuvre de mesures en temps réel utilisant le rayonnement synchrotron (XRD, XRR et GISAXS) combinées à des mesures simultanées de courbure en cours de dépôt permettant de fournir des informations sur le lien entre la croissance cristalline, la rugosité, l’évolution morphologique des nanostructures et le développement de contraintes (work package 3) ;
- la détermination des propriétés optiques et électriques, in situ et ex situ, ainsi que l’étude des effets de vieillissement sur les propriétés structurales et les propriétés fonctionnelles (work package 4).
Différentes conditions de croissance seront examinées en détail et les résultats seront comparés à des films d’Ag déposés par pulvérisation magnétron sur des surfaces d’oxyde de silicium sous atmosphère d’argon pur. Plus spécifiquement, nous nous intéresserons à la croissance d’Ag sur des sous-couches de Ge ou sous pression partielle d’azote, ces deux approches s’étant révélées particulièrement prometteuses d’après de récentes études. Par ailleurs, nous explorerons le cas de sous-couches d’Ag(1-x)-Ge(x) obtenues par co-dépôt ainsi que l’effet de l’introduction ciblée d’azote à des étapes spécifiques de la croissance.
Le projet IRMA s’appuie sur l’expertise complémentaire et sur la collaboration de trois partenaires académiques : l’Institut Pprime et le synchrotron SOLEIL en France, et le Karlsruhe Institute of Technology en Allemagne. Ce consortium international offre des compétences et des équipements uniques pour atteindre les objectifs scientifiques visés. Une attention particulière sera portée sur la compréhension des premiers stades de croissance (nucléation, coalescence, etc.) et sur les effets de relaxation survenant lors d’une interruption de croissance. A terme, les connaissances fondamentales générées par ce projet pourraient ouvrir la voie à un contrôle intelligent des procédés industriels de synthèse de couches minces, et plus particulièrement pour la production d’électrodes conductrices et transparentes à base de métaux, comme alternative durable aux solutions traditionnelles à base d’oxydes transparents conducteurs.