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RÉSUMÉ
Cet article est une revue de la technique de dépôt en couche mince par ablation laser pulsé ou Pulsed Laser Deposition (PLD). Cette technique de dépôt physique par phase vapeur (PVD) consiste à focaliser un laser de haute puissance sur une cible contenant les espèces chimiques du matériau à déposer. Dans le cas d’une épitaxie, la PLD est communément dénommée Laser-MBE. Sont tout d’abord décrites les mécanismes mis en jeu dans la PLD, le dispositif expérimental et les avantages et les inconvénients de la PLD. Ensuite, sont traités les paramètres de dépôt ainsi que quelques techniques avancées relatives à la PLD. Enfin, quelques exemples d’applications de cette technique sont présentés.
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Thomas FIX : Chargé de recherche au CNRS - Laboratoire ICube, - Université de Strasbourg et CNRS, Strasbourg, France
INTRODUCTION
L’ablation laser pulsé ou Pulsed Laser Deposition (PLD) est une technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD), qui consiste à focaliser un laser de haute puissance sur une cible contenant les espèces chimiques du matériau à déposer. La cible et le substrat sont situés dans un bâti sous vide ou sous atmosphère réactive comme O2. Cette technique permet d’obtenir des dépôts amorphes, polycristallins, texturés, ou épitaxiés. Dans ce dernier cas, la PLD est communément dénommée Laser-MBE en référence à la technique d’épitaxie par jet moléculaire (Molecular-Beam Epitaxy). Un des grands avantages de la PLD est la possibilité d’exploration rapide de nouveaux matériaux, du fait de faibles contraintes sur la taille et la qualité de la cible de départ, et du faible nombre de paramètres à optimiser.
Dans cet article, nous décrivons tout d’abord, après un bref historique, les mécanismes mis en jeu dans la PLD, le dispositif expérimental et les avantages et les inconvénients de la PLD. Ensuite, nous détaillons les paramètres les plus importants dans ce type de dépôt, avant d'exposer quelques techniques avancées in situ telles que le RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction), la SHG (Second Harmonic Generation), les dépôts combinatoires et les dépôts sur large surface. Enfin, sont présentés quelques exemples de matériaux déposés comme les oxydes, les nitrures, les métaux, les matériaux carbonés et biomatériaux, les polymères et les molécules organiques.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles utilisés.
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Techniques avancées
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2. Paramètres de dépôt
2.1 Matériaux précurseurs
La cible doit contenir les éléments chimiques du matériau que l’on souhaite déposer en couche mince. Dans le cas des oxydes, on privilégiera une cible d’oxyde (e.g. cible de CuO pour un dépôt de Cu2O ; CuO est plus stable chimiquement que Cu2O) plutôt qu’une cible métallique (e.g. Cu) en raison principalement de la plus grande difficulté à ablater les métaux que les oxydes. Cette cible, par exemple de dimension 1′′ et d’épaisseur 3 mm, peut être achetée commercialement (une cible dédiée à la pulvérisation cathodique peut convenir, voire même un substrat de grande taille acheté commercialement), ou réalisée soit-même.
Dans le cas des oxydes, la méthode la plus simple est la voie du frittage : il s’agit de broyer des poudres des molécules précurseurs, de les presser sous forme de pastille aux dimensions souhaitées, puis de recuire la pastille. Il est important de noter qu’il n’est pas nécessaire que la cible soit cristallisée dans la phase souhaitée ; les molécules seront dissociées par le laser pendant le dépôt et donc l'important est que les éléments constitutifs du matériau souhaitant être déposé en couches minces soient présents dans les bonnes quantités. On pourra se référer sur ce point au paragraphe 1.4.1.
Par exemple :
Pour réaliser des dépôts de SrTiO3, il est possible de broyer des poudres de SrCO3 et de TiO2 achetées commercialement, de réaliser un premier recuit à 900 °C pendant 6 h pour évacuer le CO2 formé, de rebroyer les poudres obtenues, de les presser sous forme de pastille avec un moule adapté, puis de réaliser un frittage à 1 300 °C pendant 6 h ...
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Paramètres de dépôt
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SMITH (H.M.), TURNER (A.F.) - Vacuum Deposited Thin Films Using a Ruby Laser. - Appl. Optics 4, p. 147 (1965).
-
(2) - EASON (R.) - Pulsed laser deposition of thin films applications-led growth of functional materials. - Wiley, 754 p. (2007).
-
(3) - KREBS (H.U.), WEISHEIT (M.), FAUPEL (J.), SÜSKE (E.), SCHARF (T.), BUBACK (M.) - Pulsed Laser Deposition (PLD) – A Versatile Thin Film Technique. - In : Kramer B. (eds) Advances in Solid State Physics vol. 43. Springer, Berlin, Heidelberg (2003).
-
(4) - FIX (T.) - Couches minces de Sr2FeMoO6 élaborées par ablation laser pour des jonctions tunnel magnétiques. - Thèse de doctorat, Université de Strasbourg (2006).
-
(5) - JELLITE (M.), REHSPRINGER (J.-L.), FAZIO (M.A.), MULLER (D.), SCHMERBER (G.), FERBLANTIER (G.), COLIS (S.), DINIA (A.), SUGIYAMA (M.), SLAOUI (A.), CAVALCOLI (D.), FIX (T.) - Investigation of LaVO3 based compounds as a photovoltaic absorber. - Sol. Energy 162, p. 1...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
AdNaNo
Neocera
PVD Products
Solmates
SPECS
Surface
TSST
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
REseau Croissance et InsTrumentation en Ablation Laser (RECITAL)
https://www.u-picardie.fr/recital/
Groupement de recherche (GDR) 3660 « Oxydes fonctionnels : du matériau au dispositif » (OXYFUN)
https://oxyfun2020.sciencesconf.org/
HAUT DE PAGE
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