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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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Exemples d’applications
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3. Techniques avancées
3.1 RHEED
Le RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) est une technique de diffraction électronique en incidence rasante. Elle permet d’étudier in situ de nombreux phénomènes de surface comme la structure cristalline, les réorganisations de surface, la vitesse et le mode de croissance, la variation des paramètres de maille et l’évolution de la rugosité de la surface. Un faisceau d’électrons de 5 à 100 keV est envoyé sur la surface à étudier en incidence rasante (angle inférieur à trois degrés). Les électrons sont alors diffractés par les atomes de surface (quelques couches atomiques), et forment un diagramme de diffraction observé sur un écran phosphorescent et pouvant être analysé grâce à une caméra.
Le RHEED est souvent accompagné d’un système de pompage différentiel permettant une utilisation sous pression partielle d’oxygène par exemple, et d’un porte-substrat orientable permettant d’ajuster l’azimut, le tilt (l'angle d'incidence) et la profondeur de l’échantillon. La caméra permet de prendre des clichés des diagrammes de diffraction (figure 5) et de réaliser des analyses poussées. Ainsi, certains logiciels rendent possible le suivi dans le temps de l’intensité de la tache spéculaire. Dans le cas d’une croissance 2D suivant le mode de Franck van der Merwe, on observe une oscillation périodique de l’intensité au fur et à mesure que l’épaisseur du dépôt augmente, où chaque oscillation correspond au dépôt d’une monocouche (figure 6). La nucléation d’un grand nombre d’îlots réduit l’intensité de l’onde diffractée, tandis que la coalescence de ces îlots conduit à un maximum d’intensité. L’augmentation progressive de la rugosité peut conduire à une atténuation puis à une extinction de l’oscillation. Cette technique permet de contrôler l’épaisseur du dépôt en cours de croissance, ainsi que la terminaison de la dernière monocouche, ce qui par exemple est indispensable dans le cas des gaz bidimensionnels d’électrons à l’interface LaAlO3/SrTiO3 ...
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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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1/ Quiz d'entraînement
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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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