Les films minces continuent d’attirer l’attention des chercheurs. Cet article présente des recherches actuelles et plus approfondies sur leurs applications, les méthodes de dépôt variables et les utilisations futures.
« Film » est un terme relatif désignant un matériau bidimensionnel (2D) beaucoup plus fin que son substrat, qu'il soit destiné à recouvrir le substrat ou à être pris en sandwich entre deux surfaces. Dans les applications industrielles actuelles, l'épaisseur de ces films minces varie généralement de dimensions atomiques inférieures au nanomètre (nm) (c'est-à-dire <1 nm) à plusieurs micromètres (μm). Le graphène monocouche a une épaisseur d'un atome de carbone (soit environ 0,335 nm).
Les films étaient utilisés à des fins décoratives et picturales à l’époque préhistorique. Aujourd’hui, les articles de luxe et les bijoux sont recouverts de fines pellicules de métaux précieux comme le bronze, l’argent, l’or et le platine.
L'application la plus courante des films est la protection physique des surfaces contre l'abrasion, les chocs, les rayures, l'érosion et les abrasions. Des couches de carbone de type diamant (DLC) et de MoSi2 sont utilisées pour protéger les moteurs automobiles de l'usure et de la corrosion à haute température causée par la friction entre les pièces mécaniques mobiles.
Des films minces sont également utilisés pour protéger les surfaces réactives de l’environnement, qu’il s’agisse de l’oxydation ou de l’hydratation due à l’humidité. Les films conducteurs de blindage ont reçu beaucoup d'attention dans les domaines des dispositifs semi-conducteurs, des séparateurs de films diélectriques, des électrodes à couches minces et des interférences électromagnétiques (EMI). En particulier, les transistors à effet de champ à oxyde métallique (MOSFET) contiennent des films diélectriques chimiquement et thermiquement stables tels que SiO2, et les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) contiennent des films de cuivre conducteurs.
Les électrodes à couches minces augmentent plusieurs fois le rapport entre la densité d'énergie et le volume des supercondensateurs. De plus, les films minces métalliques et actuellement les films minces en céramique de pérovskite de MXènes (carbures, nitrures ou carbonitrures de métaux de transition) sont largement utilisés pour protéger les composants électroniques des interférences électromagnétiques.
En PVD, le matériau cible est vaporisé et transféré dans une chambre à vide contenant le substrat. Les vapeurs commencent à se déposer à la surface du substrat simplement à cause de la condensation. Le vide empêche le mélange des impuretés et les collisions entre les molécules de vapeur et les molécules de gaz résiduel.
La turbulence introduite dans la vapeur, le gradient de température, le débit de vapeur et la chaleur latente du matériau cible jouent un rôle important dans la détermination de l'uniformité du film et du temps de traitement. Les méthodes d'évaporation comprennent le chauffage par résistance, le chauffage par faisceau d'électrons et, plus récemment, l'épitaxie par jet moléculaire.
Les inconvénients du PVD conventionnel sont son incapacité à vaporiser des matériaux à point de fusion très élevé et les changements structurels induits dans le matériau déposé en raison du processus d'évaporation-condensation. La pulvérisation magnétron est la technique de dépôt physique de nouvelle génération qui résout ces problèmes. Dans la pulvérisation magnétron, les molécules cibles sont éjectées (pulvérisées) par bombardement avec des ions positifs énergétiques à travers un champ magnétique généré par un magnétron.
Les films minces occupent une place particulière dans les dispositifs électroniques, optiques, mécaniques, photoniques, thermiques et magnétiques modernes et même dans les objets de décoration en raison de leur polyvalence, de leur compacité et de leurs propriétés fonctionnelles. Le PVD et le CVD sont les méthodes de dépôt en phase vapeur les plus couramment utilisées pour produire des films minces dont l'épaisseur varie de quelques nanomètres à quelques micromètres.
La morphologie finale du film déposé affecte ses performances et son efficacité. Cependant, les techniques de dépôt par évaporation de couches minces nécessitent des recherches supplémentaires pour prédire avec précision les propriétés des couches minces en fonction des intrants de processus disponibles, des matériaux cibles sélectionnés et des propriétés du substrat.
Le marché mondial des semi-conducteurs est entré dans une période passionnante. La demande en technologie de puces a à la fois stimulé et retardé le développement de l’industrie, et la pénurie actuelle de puces devrait perdurer pendant un certain temps. Les tendances actuelles façonneront probablement l’avenir de l’industrie à mesure que cela se poursuit.
La principale différence entre les batteries à base de graphène et les batteries à semi-conducteurs réside dans la composition des électrodes. Bien que les cathodes soient souvent modifiées, les allotropes de carbone peuvent également être utilisés pour fabriquer des anodes.
Ces dernières années, l’Internet des objets a été rapidement mis en œuvre dans presque tous les domaines, mais il revêt une importance particulière dans le secteur des véhicules électriques.
Heure de publication : 23 avril 2023