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Les couches minces multiplient leurs applications

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Nancy, 18-20 novembre. Organisé par la Société française du vide, le colloque sur l'innovation dans les couches minces portait notamment sur les couches dures et le développement des nanotechnologies.

Métaux, plastiques ou céramiques : les revêtements sous forme de couches minces permettent d’optimiser les caractéristiques de la plupart des matériaux. On peut ainsi améliorer leur tenue à l’usure et aux hautes températures mais aussi réduire leur dégradation sous l’action des UV.

Le colloque francophone organisé par la Société française du vide a fait le point à Nancy sur les innovations en termes d’élaboration et d’applications des couches minces.

Au cours de ces journées, J.F. Pierson de l’université de Franche-Comté présentait une première scientifique : l’élaboration de films d’oxydes mixtes argent-cuivre par pulvérisation dans une atmosphère réactive (argon-oxygène). Ces oxydes présentent des propriétés optiques et électriques intéressantes. La technique utilisée a comme principal atout de permettre de faire varier le rapport atomique argent/cuivre et donc les propriétés physiques finales de la couche mince.

Autre innovation notable : les couches minces d’oxyde de lanthane développés par STMicroelectronics (à Crolles, 38) et le Laboratoire de physique des gaz et plasmas de l’université Paris-Sud à Orsay. Ces couches minces entrent en effet dans le cadre du développement des futurs oxydes de grille pour transistors à effet de champ prévus à l’horizon 2005-2009. Le procédé de déposition choisi par les chercheurs est la pulvérisation cathodique magnétron.

A l’Ecole Poytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), les recherches de R. Houriet portent sur l’élaboration de couches minces par atomisation laser. Ces travaux sont réalisés dans le cadre de l’étude de la reconstruction du tissu osseux autour d’une prothèse après une opération chirurgicale. Le procédé d’atomisation laser combine les avantages d’une mise en œuvre à pression atmosphérique et température ambiante et donne accès à des couches minces poreuses uniformes. Dans ce cas d’étude, il s’agit de déposer une couche mince de phosphate calcique sur la surface de la prothèse.

Fabienne Poncin-Epaillard de l’université du Maine présentait ses travaux sur l’application des technologies plasma pour le prétraitement de substrats polymères. L’un des axes abordés concernait l’élaboration de surfaces à propriétés optiquement contrôlables donnant accès à de véritables interrupteurs optiques à l’échelle moléculaire. Le but est de fixer de manière covalente un composé chromophore sur une surface présentant des groupements acide carboxylique. 

En partenariat avec l’Ecole Centrale de Lyon, C. Mendibide étudie les revêtements PVD multicouches nanostructurés et leur résistance à différents types de sollicitations. Ces recherches portent sur des revêtements alternant des couches de nitrure de titane et de nitrure de chrome dont la structure confère au dépôt des propriétés mécaniques (dureté, ténacité, résistance à l’usure…) bien supérieures à celles de chacun des matériaux pris isolément.

Des revêtements nanocouches à base de nitrure sont également développés au CEA à Grenoble. Le but des travaux présentés par C. Ducros est d’améliorer ainsi les performances d’usinage de l’Inconel 718. Les revêtements en question sont élaborés par évaporation par arc cathodique de nitrures du type CrN-TiN, TiN-AlTiN et CrN-AlTiN. L’architecture nanocouche permet d’augmenter considérablement la dureté en limitant l’augmentation du module d’Young. Un gain der 15 % en terme de durée de vie des outils en Inconel 718 ont été mis en évidence par rapport à la nuance commerciale non revêtue.

A l’Université de technologie de Belfort-Montbéliard, A. Thobor-Keck travaille sur l’amélioration de la résistance à l’oxydation de dépôts de nitrure de chrome par addition de silicium. Ses travaux portent sur l’élaboration de couches minces de type CrSiN applicables en particulier aux outils d’usinage à grande vitesse. En étudiant le comportement à l’oxydation à chaud, le chercheur a pu constater que les films de CrSiN présentaient beaucoup moins de traces d’oxyde de chrome Cr2O3 après recuit que les films de CrN. L’ajout de silicium permet d’augmenter la tenue à l’oxydation à chaud de 750 °C à 900 °C, soit un gain de 150 °C.

Des couches minces à base de semi-conducteur ionique étaient présentées par D. Horwat de l’Ecole des Mines de Nancy. Ces dépôts sont élaborés par pulvérisation cathodique magnétron d’oxydes mixtes de sodium, zirconium, silicium et phosphore (Na3Zr2Si2PO12) sur un substrat en acier inox AISI 430. Ce type de semiconducteurs ioniques en couches minces pourraient se développer dans deux domaines: les capteurs de gaz miniatures et les dispositifs électrochromes à longue durée de vie. Une autre équipe de l’Ecole des Mines de Nancy élabore des films de diamant hautement orientés par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.

A l’université Henri Poincaré (Nancy I), Laurent Le Brizoual applique la pulvérisation DC magnétron pour la fabrication de films piézoélectriques d’oxyde de zinc. La qualité de ce type de films a été testée pour la réalisation de dispositifs à onde acoustique de surface (SAW) en développant par photolithographie des transducteurs inter-digités (IDT) en aluminium à la surface du ZnO déposé. Les couches minces de ZnO ont alors montré de bonnes propriétés piézoélectriques qui leur permettaient d’être utilisées dans des dispositifs SAW.

A. Moustaghfir de l’université Blaise-Pascal à Clermont-Ferrand développe des couches minces d’oxyde de zinc pour une tout autre application : la photoprotection du polycarbonate, un plastique très utilisé dans l’industrie en raison de sa résistance mécanique, de sa transparence et de sa stabilité thermique. Cependant, ce polymère soufre de sa sensibilité aux UV particulièrement néfaste pour la fabrication d’optiques de phares pour l’automobile. Selon ces travaux, revêtir le polycarbonate d’un film de ZnO obtenu par pulvérisation cathodique représente alors une solution efficace pour limiter cette photodégradation.

Des revêtements ultra durs nanocomposites à base de nitrure de titane et de silicium sont développés par A. Billard à l’Ecole des Mines de Nancy. Ces films sont élaborés par un procédé hybride arc-magnétron par évaporation d’une cible de titane et pulvérisation d’une cible de silicium par un plasma réactif argon-azote. L’enrichissement en silicium (5 à 11 % atomique) des revêtements conduit à un affinement de leur microstructure qui se traduit par une augmentation de leur dureté au-delà de 60 GPa. 

A l’Université de Nantes, S. Point présentait ses travaux sur la synthèse de nanotubes de carbone par plasma micro-ondes RCE (à résonance cyclotronique électronique) à partir d’acétylène. Cette méthode conduit à une croissance orientée des nanotubes de carbone perpendiculairement au substrat. Les analyses micrographiques (MEB et MET) montrent qu’il s’agit de nanotubes multiparois d’un diamètre compris entre 5 et 40 nm et d’une longueur pouvant dépasser le micron.

Michel Le Toullec

Pour en savoir plus
- Site de la Société française du vide : www.vide.org

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