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Technique des couches minces

Les propriétés physiques des couches minces deviennent de plus en plus importantes dans les industries et les applications telles que les matériaux à changement de phase, les disques optiques, les matériaux thermoélectriques, les diodes électroluminescentes (DEL), les piles à combustible, les mémoires à changement de phase, les écrans plats l’industrie des semi-conducteurs en général.

Toutes ces industries utilisent des configurations à une ou plusieurs couches afin de donner à un appareil une fonction particulière. Étant donné que les propriétés physiques des films minces diffèrent considérablement des matériaux en vrac, il est nécessaire d’obtenir leurs propriétés dépendantes de l’épaisseur et de la température avec des dispositifs de caractérisation correspondants. En raison des rapports de forme élevés et des techniques de dépôt, une dispersion supplémentaire des limites et de la surface se produit, ce qui entraîne une réduction des propriétés de transport.

Comme les exigences de mesure peuvent différer des matériaux en vrac, une métrologie différente doit être utilisée.

La conductivité thermique et la conductivité électrique des matériaux en couches minces sont généralement inférieures à celles de leurs homologues en vrac, parfois même considérablement. Par exemple, à la température ambiante, le lambda d’un film de 20 nm de silicium ou d’un nanofil peut être cinq fois plus petit [1] que son équivalent monocristallin massif. Pour 100 nm d’Au, on pourrait montrer que les propriétés de transport sont presque divisées par deux [2]. En règle générale, on peut dire que les propriétés de transport ne dépendent pas uniquement de la température mais dépendent aussi fortement de l’épaisseur [3].

Ces réductions de conductivité thermique se produisent généralement pour deux raisons fondamentales. Premièrement, comparées aux monocristaux en vrac, de nombreuses technologies de synthèse en couches minces entraînent davantage d’impuretés, de désordre et de joints de grains, qui tendent toutes à réduire la conductivité thermique. Deuxièmement, même une couche mince atomiquement parfaite devrait avoir une conductivité thermique réduite en raison de la diffusion aux limites, des fuites de phonons et des interactions associées. Les deux mécanismes de base affectent généralement le transport dans le plan et le plan croisé différemment, de sorte que la conductivité thermique des films minces est généralement anisotrope, même pour les matériaux dont les formes en vrac ont un lambda isotrope.

[1] Li, Deyu, et al. “Thermal conductivity of individual silicon nanowires.” Applied Physics Letters 83.14 (2003): 2934-2936.

[2] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Nielsch, K., and Woias, P. 2018. Thermoelectric properties of Au and Ti nanofilms, characterized with a novel measurement platform. Materials Today: Proceedings, ECT2017 Conference Proceedings.

[3]  Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Hühne, R., Schnatmann, L., Nielsch, K., and Woias, P. 2018. Thickness and temperature dependent thermoelectric properties of Bi87Sb13 nanofilms measured with a novel measurement platform. Semiconductor Science and Technology.

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