Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
Depuis la fin des années 1970, les couches minces ont suscité un intérêt croissant dans de nombreux domaines et en particulier dans le secteur de la photonique, à travers l’explosion des besoins dans les télécoms, la biophotonique, l’environnement, la défense ou encore la protection civile. L’objectif de cet article est de présenter les principales méthodes d’élaboration de couches minces cristallines diélectriques à vocation optique, d’introduire les techniques nécessaires à leur caractérisation, ainsi que de donner quelques exemples d’applications pour de tels dispositifs, en s’appuyant sur les résultats de travaux de recherches menés à l’échelle internationale.
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Since the end of the 1970s, thin films have attracted growing interest in many fields especially for photonic applications, owing to increasing needs in telecoms, biophotonics, the environment, defense, and civil protection. This article describes the main methods for making optical dielectric crystalline thin films, and their related characterization techniques, and gives some examples of applications based on the results reported internationally to date.
Auteur(s)
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Gurvan BRASSE : Ingénieur de recherche au CNRS Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (CIMAP) UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie, Caen, France
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Patrice CAMY : Professeur à l’Université de Caen – Normandie Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (CIMAP) UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie, Caen, France
INTRODUCTION
Moteur d’innovations et de recherches, la physico-chimie des couches minces occupe une place de plus en plus conséquente en sciences des matériaux. Parmi les très nombreux domaines dans lesquels les couches minces trouvent leur intérêt, l’optique et la photonique ont largement contribué à l’essor de ces dernières, en particulier depuis la fin des années 1970, à travers le développement des matériaux semiconducteurs. De nombreux dispositifs se sont développés à partir de couches minces, tels que des lasers, des scintillateurs, des guides d’ondes ou encore des amplificateurs optiques. Le dépôt de couches minces a également contribué à la fonctionnalisation de surfaces, en leur conférant certaines propriétés : antiréflection, photochromisme, électrochromisme, photocatalyse, photoluminescence ou encore électroluminescence... Plus récemment, l’émergence de l’optique intégrée a ouvert de nouvelles perspectives, telles que la multiplication des fonctions optiques actives et passives sur un même substrat en structurant les matériaux sous la forme de couches minces par des approches « top down » ou « bottom up ».
Ces couches minces peuvent être de différentes natures, amorphes, cristallines ou céramiques et présenter un caractère semi-conducteur ou diélectrique. Afin de rester synthétique, cet article évoque seulement la thématique des couches minces cristallines de nature diélectrique, dont les épaisseurs varient de quelques microns à quelques centaines de microns, et qui offrent des perspectives applicatives nouvelles et complémentaires de celles offertes par les cristaux massifs.
Dans un premier temps, un tour d’horizon est fait des couches minces diélectriques aujourd’hui développées pour des applications en optique ou en optoélectronique, et un état de l’art est dressé des principales techniques d’élaboration. Nous nous intéressons ensuite plus particulièrement à la technique d’épitaxie en phase liquide ou LPE (Liquid Phase Epitaxy), une des méthodes les mieux adaptées pour la réalisation de couches minces cristallines de très bonne qualité et d’épaisseurs micrométriques. Après avoir défini la notion d’épitaxie et le principe de la technique LPE, nous présentons les différents mécanismes mis en jeu lors de la croissance épitaxiale et introduisons quelques considérations thermodynamiques et cinétiques afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Nous abordons alors, à travers une approche plus expérimentale, la physico-chimie à mettre en œuvre pour la synthèse de couches minces cristallines de différents matériaux d’intérêt optique, à base de fluorures d’une part, puis d’oxydes d’autre part. Les difficultés inhérentes à la croissance de ces matériaux, l’importance des substrats et des solvants utilisés, ainsi que l’influence des paramètres expérimentaux sont ensuite discutés. Nous soulignons également l’importance cruciale des étapes de nettoyage, mise en forme et polissage des couches minces épitaxiées, avant d’évoquer diverses possibilités de « post-processing » de tels échantillons, permettant d’optimiser certaines de leurs propriétés en fonction des applications visées. Un panel non exhaustif des différentes techniques de caractérisation à mettre en œuvre pour caractériser ces échantillons est ensuite présenté. Enfin, nous terminons cet article en présentant plusieurs exemples d’applications et de dispositifs basés sur des couches minces monocristallines dopées avec des ions terres rares élaborées par la technique LPE.
Cet article, qui a pour vocation la pédagogie et le partage du savoir scientifique, s’adresse aux étudiants, techniciens, ingénieurs, chercheurs et enseignants désireux d’approfondir leurs connaissances sur la thématique des couches minces destinées aux applications photoniques.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.
KEYWORDS
laser | crystalline thin films | liquid phase epitaxy | optic
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2. Épitaxie en phase liquide
L’épitaxie en phase liquide est une technique de croissance en flux basée sur la solubilité d’un soluté (espèce à cristalliser) dans un solvant. Elle repose sur le fait que la solubilité d’une espèce diluée dans un solvant est une fonction croissante de la température, ce qui permet de faire cristalliser le soluté à une température bien en dessous de la température de fusion de ce même matériau. De fait, cette méthode est particulièrement attractive pour la croissance en couches de matériaux ayant des températures de fusion élevées tels que les oxydes. La force motrice de la croissance épitaxiale est directement corrélée à la sursaturation du soluté dans le solvant : l’introduction d’un substrat déséquilibre la solution sursaturée qui se trouve dans un état métastable, conduisant ainsi à la cristallisation du soluté sur ce substrat. Le bon contrôle du processus LPE revient donc à une bonne maîtrise de la sursaturation de la solution, d’où l’importance de bien comprendre la thermodynamique et les mécanismes mis en jeu lors de la croissance épitaxiale.
2.1 Présentation des différents mécanismes de croissance épitaxiale
Les mécanismes de nucléation en surface du substrat définissent le mode de croissance épitaxiale et conditionnent la morphologie de la surface des couches épitaxiées. Il existe huit modes de croissance épitaxiale en LPE, illustrés par la figure 1 : Frank van der Merwe (FVM), Stranski-Krastanov (SK), Volmer-Weber (VW) , columnar growth, step flow, step bunching, screw island growth et growth on kinked surfaces .
Parmi ces...
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Réseau CNRS CMDO+ (Cristaux micro-nanostructurés et dispositifs pour l’optique) http://cmdo.cnrs.fr/
Réseau CNRS CRISTECH http://www.cristech.cnrs.fr
Réseau CNRS ROP (Réseau optique et photonique) http://www.rop.cnrs.fr
Société française d’optique (SFO) http://www.sfoptique.org
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Journées nationales des cristaux pour l’optique (JNCO-SFO) : Conférence nationale organisée par l’intermédiaire du club cristaux pour l’optique de la Société française d’optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-cristaux-pour-l-optique-jnco/
Journées nationales CRISTECH – Croissance cristalline et cristallisation : Action nationale de formation organisée par l’intermédiaire du réseau CNRS CRISTECH
International Conference on crystal growth and epitaxy (ICCGE)
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