DS0303 - Produits (conception, procédés et matériaux)

Hybridation de la pyrolyse laser et de la pulvérisation magnetron pour le dépôt de nanocomposites avancés – HYMALAYAN

Hybridation de la pyrolyse laser et de la pulvérisation magnétron pour dépôt de nanocomposites avancés

Le projet HYMALAYAN propose la réalisation par un procédé original, en une seule étape et de manière confinée, de couches nanocomposites contrôlées in situ.

Inclure tout type de nanoparticules dans tout type de matrice

Le projet HYMALAYAN propose la réalisation par un procédé original, en une seule étape et de manière confinée, de revêtements 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, sans limitation a priori dans les compositions chimiques respectives des nanoparticules et de la matrice. Le dépôt simultané des particules et de la matrice est réalisé sur la même face du même substrat. Le projet comporte trois grands axes qui sont l’optimisation du procédé pour des grandes surfaces, la caractérisation des dépôts (in situ et ex situ) et l’élaboration de composites pour des applications industrielles. L’axe concernant les applications aura pour objectif de démontrer la souplesse et les performances du procédé sur des substrats d’une surface de l’ordre de 10 x 10 cm2. Il comportera deux volets. Le premier volet portera sur la réalisation de revêtements de type NP 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 a pour objectif l’amélioration du rendement des cellules photovoltaïques au silicium par l’élaboration d’un matériau composé de nanocristaux de silicium dopé dans une matrice de SiO2 puis de Si3N4. La réalisation d’un dépôt homogène, dense et adhérent sur une surface étendue avec un contrôle précis de la concentration de nanoparticules dans la matrice constituera l’objectif final du projet. Dans ce but, la structure à l’échelle nanométrique des couches sera analysée en fonction des différentes conditions de synthèse.

Le procédé combine les jets de nanoparticules (NP) sous vide (JNV) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD). Il tire parti de la souplesse des JNV développés au CEA/IRAMIS, 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.

Les 18 premiers mois du projet ont été consacrés au contrôle aérodynamique du jet de nanoparticules et au début des travaux concernant la réalisation prototype grandes surfaces, la caractérisation et l’application luxe.
Le contrôle aérodynamique a permis de fixer les conditions optimales à la production d’un jet d’une divergence contrôlée pour produire des dépôts homogènes de nanoparticules sur de grandes surfaces (demande de brevet). Ils ont nécessité la mise au point d’une méthode originale pour obtenir une suspension liquide de nanoparticules métalliques sans surfactant (demande de brevet).
Les résultats obtenus ont été directement utilisés pour la conception du prototype grandes surfaces qui doit produire des revêtements nanostructurés homogènes sur des surfaces de 10x10 cm2. Le choix d’utiliser 4 lentilles aérodynamiques en parallèle a été fait. La géométrie générale de positionnement de ces lentilles a été également précisément définie par le partenaire industriel SOCRATE en concertation avec le CEA. Les positions et formats des cathodes de pulvérisation ont été choisis en concertation avec l’UTBM et DEPHIS. La position de l’ellipsomètre qui sera utilisé pour caractériser les dépôts in situ pendant la synthèse a également été définie, ainsi que les conditions spécifiques de son fonctionnement (partenariat HORIBA-SOCRATE).
En parallèle, le cahier des charges pour l’application luxe a été fourni par le partenaire industriel DECAYEUX-STI. La réalisation des premiers co-dépôts d’or dans la silice a été initiée sur des substrats type de silicium pour des caractérisations morphologiques et chimiques.
Ces dépôts ont été caractérisés par Nano-indentation (UTBM), RBS (CEA), MEB (CEA) et GD-EOS et ellipsométrie ex situ (HORIBA) pour plusieurs densités de nanoparticules dans la matrice et dans différentes conditions de synthèse.

Les perspectives principales du projet sont le montage et l’optimisation du prototype grandes surfaces, la poursuite du développement de l’application luxe et le démarrage de l’application photovoltaïque. Est incluse dans ces perspectives la valorisation active du procédé auprès des industriels susceptibles d’être intéressés par cette nouvelle technologie.
Le montage du prototype grandes surfaces est en cours chez SOCRATE. Monté et testé, celui-ci sera transféré au LEMRPS pour sa mise en œuvre et son optimisation fin 2016. La première étape sera l’optimisation du dépôt de matrice de SiO2 et celle du dépôt simple de nanoparticules d’or sur des surfaces de 100 x 100 mm2 séparément. L’objectif est d’obtenir des dépôts homogènes avec des vitesses de dépôt contrôlées. Les études spécifiques aux revêtements nanocomposites pourront alors démarrer.
Pour l’application luxe, une étude spécifique à l’adhérence des dépôts nanocomposites sur des substrats de laiton est déjà engagée. Il s’en suivra une étude systématique sur la tenue mécanique et chimique des dépôts à différentes concentrations en nanoparticules.
Pour l’application photovoltaïque, la synthèse par pyrolyse laser de nanoparticules de silicium dopées a déjà commencé. L’objectif de cette étude est de contrôler le taux de dopage en fonction des conditions de synthèse. Les premiers dépôts nanostructurés sont prévus pour fin 2016 sur des surfaces de 25 x 25 mm2.
La valorisation active du procédé a démarré depuis le début du projet, avec plusieurs contacts pris avec différents industriels. 2 NDA ont déjà été signés pour approfondir les discussions sur des applications très diverses.

Brevet nationaux en cours d’obtention
Procédé de production d’un jet de nanoparticules sous vide avec un angle de divergence contrôlé, O. Sublemontier et Y. Rousseau
Colloques scientifiques
O. Sublemontier et al. Safe-By-Design Elaborati

Le projet HYMALAYAN 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, sans limitation a priori dans les compositions chimiques respectives des nanoparticules et de la matrice. Le procédé combine les jets de nanoparticules sous vide (JNV) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD). Il tire parti de la souplesse des JNV développés au CEA/IRAMIS, 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 qui sont l’optimisation du procédé pour des grandes surfaces, la caractérisation des dépôts (in situ et ex situ) et l’élaboration de composites pour des applications industrielles. L’optimisation du procédé sera réalisée sous la responsabilité du UTBM/LERMPS, après la conception et la mise au point d’un prototype « grandes surfaces », réalisées par SOCRATE-Industrie, en partenariat avec la société DEPHIS. La caractérisation des dépôts sera piloté par HORIBA Jobin-Yvon, qui adaptera l’ellipsométrie spectroscopique in situ et effectuera des mesures ex-situ en spectrométrie de décharge luminescente GD-OES et TOF-MS ex situ. L’axe concernant les applications aura pour objectif de démontrer la souplesse et les performances de ce procédé innovant sur des substrats d’une surface de l’ordre de 10 x 10 cm2. Il comportera deux volets. Le premier volet, piloté par la société DECAYEUX Luxe portera sur la réalisation de revêtements de type NP 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 de SiO2 puis de Si3N4. La réalisation d’un dépôt homogène, dense et adhérent sur une surface étendue (10 x 10 cm2) avec un contrôle précis de la concentration de nanoparticules dans la matrice constituera l’objectif final du projet. Dans ce but, la structure à l’échelle nanométrique des couches sera analysée en fonction des différentes conditions de synthèse. Cet aspect important du projet permettra d’optimiser le procédé pour répondre au mieux aux applications visées. Enfin, HYMALAYAN restera ouvert à toute autre application industrielle par une démarche active de valorisation du procédé.

Coordinateur du projet

Monsieur Olivier Sublemontier (Institut Rayonnement-Matière de Saclay)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

HJY Horiba Jobin-Yvon
IRTES / LERMPS Institut de Recherche sur les Transprts, l'Energie et la Scociété /Laboratoire d'Etudes et de Recherches sur les Matériaux, les Procédés et les Surfaces
Decayeux S.T.I Decayeux S.T.I
CEA - IRAMIS Institut Rayonnement-Matière de Saclay
S-I SOCRATE-Industrie
Dephis Dephis

Aide de l'ANR 727 953 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 48 Mois

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