Implémentation d'un générateur de nanoparticules en phase gazeuse fondé sur la pulvérisation cathodique magnétron pour la synthèse de films minces nanocomposities céramique/nanoparticules métalliques

Gas-phase synthesis of nanoparticles source based on magnetron sputtering principle for the deposition of nanocomposites ceramic thin films with metallic nanoparticles

• Auteur / Autrice : Maileth Orozco montes
• Direction : Pascal Tristant, Cédric Jaoul, Frédéric Dumas-Bouchiat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Tristant, Cédric Jaoul, Frédéric Dumas-Bouchiat, Nicolas Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Babonneau, Anne-Lise Thomann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Microscopie électronique en transmission

Matériaux hybrides

Pulvérisation cathodique

Propriétés électriques

Nanoparticules

Nanoparticules d'argent

Mots clés libres

Capacités MIM

MIM capacitors

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur l’étude d’un générateur de nanoparticules (NPs) en phase gazeuse basé sur la pulvérisation cathodique magnétron. La mise en oeuvre d’un spectromètre d’émission optique et d’une microbalance à quartz a permis d’observer l’influence des paramètres du procédé (nature et débit des gaz, courant cathodique, configuration magnétique) sur les espèces présentes dans le plasma et la vitesse de dépôt des NPs. Ceci a conduit à une meilleure compréhension du procédé et à l’établissement d’un point de fonctionnement. Des analyses par microscopique électronique en transmission (MET) ont mis en évidence des NPs d’argent cristallisées en vol dont la taille augmente (de 2,5 ± 0,5 nm à 5,2 ± 0,5 nm de diamètre) avec la longueur d’agrégation. L’association de cette source à un réacteur de pulvérisation magnétron conventionnelle a permis la synthèse de nanocomposites constitués de nanoparticules métalliques (Cu ou Ag) dans une matrice céramique diélectrique amorphe et transparente (nitrure ou oxyde d’aluminium). Un décalage de la Résonance Plasmon de Surface (RPS) vers le rouge a été observé avec l’augmentation de la permittivité de la matrice ainsi qu’un élargissement de la RPS avec la diminution de la taille des NPs. Enfin, les propriétés électriques des nanocomposites ont été étudiés au sein de capacités de type Métal/Isolant/Métal (MIM) permettant une modulation de la permittivité avec le taux de dopage en NPs d’argent (5% et 10% vol.).

This thesis is dedicated to the study of free nanoparticles (NPs) source based on magnetron sputtering. Setting up an optical emission spectrometer and a quartz microbalance allowed to observe the influence of the process parameters (gas composition and flow rate, cathodic current, magnetic configuration) on the plasma species and the NPs deposition rate. This lead to a better understanding of the process and the establishment of a process operating windows. Transmission Electron Microscopy (TEM) analysis revealed crystallized silver NPs whose size increased (from 2.5 ± 0.5 nm to 5.2 ± 0.5 nm in diameter) when the aggregation length increased. The free NPs source coupled to a conventional magnetron sputtering chamber allowed the deposition of nanocomposites thin films consisting of metallic NPs (Cu ou Ag) embedded in dielectric transparent amorphous matrix (aluminum nitride or oxide). A red shift of the Surface Plasmon Resonance (SPR) was observed with the increase of the matrix permittivity value. A broadening of the SPR with the decrease of the NPs size was also evidenced. Finally, the electrical properties of the nanocomposites have been studied by means of a Metal/Insulator/Metal capacitor pointing out a modulation of the permittivity with the silver NPs content (5% and 10% vol.).