Que sont les revêtements à couche mince?
Les revêtements à couche mince sont des couches extrêmement minces de matériau placées à la surface du substrat. Leur épaisseur peut varier de quelques micromètres, ou millionièmes de mètre, à moins de 1 nanomètre, ou un milliardième de mètre. Les revêtements à couche mince peuvent être fabriqués à partir de diverses substances, notamment du silicium, des céramiques et de l'arséniure de gallium. Ils sont couramment utilisés dans les dispositifs optiques tels que les cellules photovoltaïques utilisées pour la production d'énergie solaire, dans les composants électroniques et dans les outils et autres équipements nécessitant une résistance aux dommages de surface.
La composition d'un revêtement en couche mince dépend de son objectif. Les revêtements à couche mince utilisés dans les cellules photovoltaïques pour générer de l'énergie solaire sont constitués de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et l'arséniure de gallium. Ces matériaux peuvent convertir l'énergie de la lumière en courant électrique lorsque les photons entrants excitent les électrons du matériau semi-conducteur à des niveaux d'énergie supérieurs. Ces revêtements sont également utilisés en électronique, tels que les circuits intégrés.
Les films minces semi-conducteurs sont souvent appliqués en une série de couches avec des compositions chimiques variables pour affecter les propriétés du film. Ces couches peuvent être extrêmement minces, et certains revêtements à couche mince ont des couches d'un seul atome d'épaisseur. Ainsi, un revêtement en film mince peut contenir une structure interne complexe de couches variables dans un espace extrêmement réduit.
Les céramiques à couche mince sont utilisées dans des applications nécessitant des matériaux résistant à l'usure ou à la corrosion. Les outils de coupe, par exemple, peuvent avoir une durée de vie de travail considérablement allongée s’ils sont fabriqués avec une fine couche externe en céramique sur le tranchant afin de protéger le reste de la lame contre l’usure. Les dispositifs qui utilisent des produits chimiques réactifs, tels que les piles à combustible, peuvent utiliser de la céramique en couche mince pour les contenir en raison de l'inertie chimique de la pellicule céramique.
Les revêtements en couches minces sont également utilisés avec des piles au lithium rechargeables, qui peuvent être constituées d’une cathode composée d’un film mince de lithium et d’oxydes métalliques pour produire des piles beaucoup moins volumineuses et plus souples que les piles classiques. Les miroirs contiennent un film métallique mince, généralement en aluminium dans des miroirs modernes, derrière le verre pour créer une surface réfléchissante. De minces pellicules d'aluminium sont également utilisées dans l'emballage de nombreux biens de consommation modernes, en particulier les aliments, pour prolonger la durée de conservation des denrées périssables et pour rendre l'emballage plus brillant et plus visible. Les films d'aluminium sont également utilisés comme isolants, en particulier pour les applications exigeant flexibilité et portabilité. Ils sont intégrés dans des combinaisons telles que combinaisons spatiales, équipement de protection des pompiers et couvertures isolantes d'urgence pour les victimes de choc.
Les revêtements en film mince sont appliqués sur une surface au moyen d’une des nombreuses techniques désignées collectivement par dépôt en film mince. La plupart de ces méthodes sont classées comme des dépôts chimiques, dans lesquels le film mince est appliqué par une réaction chimique entre la surface et un fluide appelé précurseur, ou un dépôt physique, dans lesquels le film est appliqué par des moyens mécaniques, thermiques ou électriques. . Les procédés de dépôt chimique comprennent le placage, qui utilise une solution de précurseur liquide contenant des ions métalliques dissous, et le dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel la surface réagit avec des composés gazeux.
Les méthodes physiques de dépôt sont effectuées dans une chambre à vide contenant le substrat et la substance. Les particules de ce dernier sont éliminées par divers moyens, tels que le chauffage, des impulsions laser ou des arcs électriques, créant une vapeur qui forme un film sur le substrat. Il existe également des méthodes qui utilisent à la fois des processus physiques et chimiques et qui ne rentrent pas parfaitement dans l'une ou l'autre catégorie, telles que la pulvérisation cathodique réactive et l'épitaxie par jet moléculaire.