Synthèse de couches minces de carbone vitreux sur substrat de silicium par ablation et irradiation laser

Synthesis of glassy carbon thin films on silicon substrate by ablation and laser irradiation

• Auteur / Autrice : Hatem Diaf
• Direction : Patrice Mélinon, Antonio Pereira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Lumière Matière
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Journet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Mélinon, Alain Pénicaud, Christopher Ewels, Jean-Luc Duvail, Florence Garrelie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Pénicaud, Christopher Ewels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt par laser pulsé

Silicium -- Substrats

Carbone -- Couches minces

Microélectronique

Mots clés libres

Carbone vitreux

Couches minces

Dépôts par ablation laser pulsé

Irradiation laser

Spectroscopie Raman

Carbone hybridé sp²

Structure schwarzite

Topologie

Glassy carbon

Thin films

Deposition by pulsed laser ablation

Laser irradiation

Raman spectroscopy

Sp² hybridised carbon

Schwarzite structure

Topology

Résumé

Le carbone vitreux est un matériau carboné isotrope hybridé sp2 ayant ses propriétés globalement supérieures comparées au graphite et est caractérisé par sa faible densité massique à l’état massif (1,5g/cm3). Il est essentiellement utilisé pour des applications électrochimiques et des dispositifs fonctionnant à très haute température. Récemment, il fait l’objet d’intérêt croissant dans la réalisation des dispositifs micro- et nanométriques pour des applications biomédicales (micro-électrodes implantées dans le cerveau) et microélectroniques (micro-batteries, nano générateurs, supercapacités,…). Il est uniquement produit par pyrolyse contrôlé d’un polymère réticulé à très haute température (> 1000°C). Ce procédé de synthèse est malheureusement incompatible avec des substrats de la microélectronique. Nous avons finalement réussi à réaliser une couche de carbone vitreux sur substrat de silicium par ablation laser pulsée combinée à l’irradiation laser à faible fluence en régime nanoseconde. L’analyse Raman de nos couches a fait apparaître un spectre Raman identique de celui du carbone vitreux. Du fait d’allotropie élevée du carbone sp2, notre investigation a été renforcée par l’utilisation d’autres outils de caractérisation en vue de valider la signature du carbone vitreux :la spectroscopie XPS, la spectroscopie de perte d’énergie, la spectroscopie RBS et l’imagerie HTREM. Dans le cas des dépôts par ablation femtoseconde, nous avons pu observer que contrairement aux dépôts par ablation laser nanoseconde, les couches déposées sous 1 mbar d’hélium ne sont pas susceptibles de se transformer en carbone vitreux sous irradiation laser à faible fluence, du fait de l’existence des clusters sp2 et que ces clusters sont bien liés à la nature de la cible du carbone sp2. L’irradiation laser à faible fluence est une méthode permettant de dévoiler la nature du carbone sp2 différente (chaine sp², fullerène, anneaux aromatiques,…), ce que l’analyse Raman ne permet pas de distinguer au sein des couches non irradiées. Du point de vue topologique, nous avons montré que par rapport au modèle de la structure du carbone vitreux proposé par Harris (structure de type fullerène), la représentation tridimensionnelle par une structure schwarzite modifiée est plus pertinente pour expliquer ses propriétés

Glassy carbon is an isotropic sp2-hybridised carbonaceous material with its properties generally higher than graphite and have a relatively low density (1,5g/cm3) in its solid state. It is mainly used for electrochemical applications and for devices operating at very high temperatures. It has recently been the subject of growing interest in developing and producing micro- and nano-devices for biomedical and microelectronic applications (micro-electrodes implanted in the brain, micro-batteries, nano-generators, supercapacitors,…). To date, it is only produced by controlled pyrolysis of a reticulated polymer at very high temperatures (>1000°C). This process is currently not compatible with microelectronic devices. We have finally succeeded in synthesizing a thin film of glassy carbon on a silicon substrate by pulsed laser ablation combined with low fluence pulsed laser irradiation in the nanosecond regime. The Raman analysis of our thin films showed the spectrum similar to that of glassy carbon produced by chemical route. In view of the large number of sp2- hybridised allotropes of carbon, additional characterization methods are needed to clear up any doubts such as x-ray spectroscopy, transmission electron microscopy, and Rutherford backscattering spectrometry. For femtosecond pulsed laser deposition, we observed that, unlike nanosecond laser deposition, the thin films deposited under 1 mbar of helium cannot be turned into glassy carbon structure under low fluence laser irradiation, due to the presence of sp2 hybridised clusters and theses clusters are related to the nature of sp2-hybridised carbon target. Low fluence laser irradiation is an approach to reveal the nature of sp2 carbon within the amorphous carbon film (sp2 chains, fullerenes, aromatic rings,...), what Raman spectroscopy cannot do. From a topological point of view, we showed that compared with the model of the structure of glassy carbon proposed by Harris (Fullerene related structure), the structural representation of glassy carbon structure corresponds well to a modified schwarzite structure to better explain its properties