Couche mince - Définition et Explications

Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé " substrat ". Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières à la surface de la pièce tout en bénéficiant des propriétés massives du substrat (en général : tenue mécanique), par exemple :

  • conductivité électrique : métallisation de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), par exemple pour observer un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) au microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules...) à balayage
  • optique : tain du miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...), traitement anti-reflet des objectifs d'appareil photo, nickelage des casques de pompiers pour réfléchir la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) (infra-rouges), dorure de leur visière pour éviter l'éblouissement

Fabrication d'une couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé...)

La première méthode pour fabriquer des couches minces fut par voie humide : une réaction chimique entre une solution et le substrat. Un exemple célèbre est le miroir d'argent : réduction d'ions Ag+ (par exemple solution de nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de...) d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du...) AgNO3) par des sucres.

On utilise maintenant principalement trois techniques :

  • la déposition sous vide : le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) à déposer est sublimé, ou fondu puis vaporisé, et il va se condenser sur le substrat ;
  • la réaction en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) gazeuse : méthode similaire à la voie liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), mais la réaction se fait entre un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) et le substrat ;
  • la projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de...) plasma : une haute tension (La tension est une force d'extension.) est établie dans un gaz ce qui crée un plasma ; les ions acélérés viennent arracher les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'une cible, atomes qui se déposent sur le substrat en regard.
  • l'ablation au laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...)

Caractérisation de la couche mince

Un des problèmes est d'estimer l'épaisseur de la couche mince. Si elle laisse passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), on peut utiliser des méthodes interférométriques (franges d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...) entre les rayons réfléchis sur la surface de la couche et ceux réfléchis à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) couche mince-substrat).

Voir l'article détaillé Interférence par une couche mince.

Lorsque cela s'y prête, on peut utiliser les rayons X :

  • par diffractométrie de rayons X :
    • méthode dite de " réflectométrie ", similaire aux interférence des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) lumineuses ; on voit des oscillations du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) lorsque l'on déplace le détecteur ;
    • méthode par incidence rasante : on fait balayer le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'un pic caractéristique du substrat (si celui-ci est cristallisé), pour une incidence des rayons X donnée ; on augmente l'incidence, et lorsque l'on voit apparaître le pic, la loi de Beer-Lambert (La loi de Beer-Lambert, aussi connue comme la loi de Beer-Lambert-Bouguer et chez les francophones...) permet d'estimer l'épaisseur de la couche ;
  • par spectrométrie de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) X : soit on mesure l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) d'une raie (Raie [ʀɛ] est un nom vernaculaire ambigu qui correspond en français à de...) émise par le substrat, soit on mesure l'intensité d'une raie émise par la couche mince ; cette méthode peut aussi permettre de déterminer la composition chimique de la couche

Pour avoir des informations sur la texture de la couche mince en surface, on peut utiliser la microscopie électronique à balayage (La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en...). Cette technique permet d'avoir des images de la surface et de profil. On obtient ainsi l'épaisseur mais aussi des renseignements sur la micro-structure.

Toutes les autres propriétés physiques de la couche peuvent être utilisées : résistance, masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) (on mesure la différence de masse entre le substrat nu et la pièce après défaut)…

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