Matériaux intelligents et objets connectés: un nouveau procédé de fabrication simple et efficace

Publié par Redbran le 09/11/2021 à 13:00
Source: CNRS INC
Les semi-conducteurs sont des matériaux clés pour les applications en micro-électronique. Les déposer en couche mince sur des supports fragiles ou délicats, tels que du verre fin, des feuilles de plastiques souples ou des pièces imprimées en 3D, est une prouesse technologique qui permettrait pourtant de créer de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) intelligents comme des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) ou des photodétecteurs transparents et/ou souples. Défi relevé par une équipe franco-taiwanaise qui propose une nouvelle méthode très simple de préparation de tels films minces d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément...) et d'indium (L'indium est un élément chimique, de symbole In et de numéro atomique 49. C'est un...) sur un film de plastique. Ces résultats sont à retrouver dans la revue Advanced Optical Materials.


© Ching-Fu Lin et Olivier Soppera

Au cours des dernières décennies, les dispositifs semi-conducteurs à couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé...) d'oxydes métalliques ont généré beaucoup d'intérêt pour diverses applications comme les nanogénérateurs, les capteurs pour la détection biomédicale ou la détection de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), les photomémoires et les photodétecteurs. Pour obtenir ces excellentes propriétés, il est nécessaire de déposer une fine couche d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) sur un substrat, généralement à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et sous un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) poussé. Ces procédés de fabrication sont cependant très coûteux et peu flexibles.

L'alternative d'une déposition de couches minces à partir de matériaux en solution, par des procédés sol-gel, s'est rapidement développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) depuis quelques années. Moins énergivore, ce procédé nécessite néanmoins un retraitement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) à haute température après déposition pour obtenir les propriétés semi-conductrices de la couche d'oxyde. Ce traitement est malhreuseument incompatible avec les substrats fragiles comme les verres fins, les plastiques souples ou les pièces fabriquées en impression 3D par photopolymérisation, pourtant très recherchés dans de nombreuses applications de capteurs.

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), des chimistes de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de sciences de matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace), en collaboration avec une équipe taiwanaise de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) nationale Yang Ming Chiao Tung à Taiwan, proposent un nouveau procédé de fabrication sol-gel simple et efficace dont l'originalité repose sur l'insertion de nanoparticules d'or à l'intérieur du film semi-conducteur d'oxyde de zinc et indium (IZO). Les nanoparticules d'or jouent un double rôle. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) d'abord, elles induisent, par effet plasmonique,* un échauffement local sous l'effet d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) infra-rouge (laser), qui permet d'obtenir les propriétés semi-conductrices recherchées de la couche IZO sans affecter le substrat. Qui plus est, elles confèrent au film mince des propriétés photorésistives (la résistivité (La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre...) évolue sous éclairement lumineux) qui permettent la photodétection dans une large gamme de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...), de l'UV au proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...).

Ce procédé, présenté dans la revue Advanced Optical Materials, permet d'intégrer en peu d'étapes et avec des moyens très simples un photodétecteur sur un film plastique souple. Ce concept, qui a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'un dépôt de brevet, ouvre la voie vers de nouveaux dispositifs micro-électroniques comme les capteurs chimiques, les capteurs de mouvement, le monitoring du pouls (Le pouls est la perception du flux sanguin pulsé par le cœur par la palpation d'une...) et autres objets connectés.

Note:
*L'effet plasmonique consiste en une vibration collective du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) d'électrons libres dans un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) sous l'effet d'un champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...). Cette vibration résulte en un échauffement local de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) parfois très élevé pour certaines longueurs d'ondes de la source d'excitation.



a) Procédé de préparation des photodétecteurs impliquant deux étapes de traitement par laser infrarouge pour la préparation des nanoparticules d'or à partir d'un film d'or et le traitement des précurseurs d'oxyde de Zn et In (IZO).
b) Photographie d'échantillons à différentes étapes du procédé. La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) est due aux nanoparticules d'or.
c) Courbes typiques de photoréponse pour différentes longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) dans la gamme du visible.
© Ching-Fu Lin, Olivier Soppera.

Référence:
Exploiting thermoplasmonic effects for laser-assisted preparation of Au nanoparticles/InZnO thin film with visible range photodetection properties
Ching-Fu Lin, Amine Khitous, Hsiao-Wen Zan et Olivier Soppera, Advanced Optical Materials 24 septembre 2021.
https://doi.org/10.1002/adom.202100045

Contacts:
- Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...) - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) à l'Institut parisien de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) moléculaire & Chargé de mission pour la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de l'INC - inc.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS - inc.communication at cnrs.fr
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