Couches minces hybrides élaborées par approches CVD spatiales

Hybrid Thin Films Elaborated by Spatial CVD Approaches

• Auteur / Autrice : Chiara Crivello
• Direction : David Muñoz-Rojas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 25/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble, Isère, France ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Marichy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mikhael Bechelany, Maarit Karppinen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Couches minces

Mots clés libres

Matière cristalline

SALD

Couches minces

CVD

ASD

Thin films

Crystalline matter

SALD

CVD

ASD

Chemicaldeposition in vapo phase

Résumé

Le dépôt spatial de la couche atomique sous pression atmosphérique (AP-SALD) est un cas particulier de la technique ALD bien connue. Dans les deux cas, le dépôt en couches minces est basé sur des réactions chimiques auto-limitantes entre un précurseur gazeux et une surface, ce qui assure la croissance couche par couche des films. En conséquence, un contrôle sub-nanométrique sur l’épaisseur du film et une conformalité unique, même sur des structures 3D complexes à ratio d’aspect élevé, sont possibles.L’AP-SALD est une approche rapide, jusqu’à deux ordres de grandeur plus rapide que l’ALD classique, même en plein air. Parce qu’il est rapide et ne nécessite pas de traitement sous vide, il est bien adapté pour les processus de mise à l’échelle. En outre, sans utiliser de masques, il peut être utilisé pour diminuer jusqu’à plusieurs μm (ou mm) la fabrication de matériaux sur les axes XY. De plus, grâce à la conception et à l’optimisation appropriées du système, l’AP-SALD permet de disposer en une seule étape de dépôts sélectifs par zone (ASD), en évitant le traitement lithographique.Les films MOF sont des matériaux hybrides aux propriétés physiques et chimiques polyvalentes. Les MOF représentent un composant essentiel avec plusieurs avantages pour des applications potentielles, comme l’optoélectronique, la détection et les technologies de séparation. Jusqu’à récemment, des films minces MOF ont été obtenus en utilisant des approches basées sur la synthèse en vrac, mais aujourd’hui, différentes techniques sont développées, conduisant à un excellent contrôle spatiotemporel des blocs de construction et à un contrôle exceptionnel de l’épaisseur des films désirés.L’objectif de ce travail est de montrer le potentiel de l’AP-SALD pour le dépôt de couches minces de MOF. Tout d’abord, il est démontré que l’AP-SALD peut être utilisé pour déposer une couche sacrificielle et ensuite pour former un film de MOF en exposant cette couche au précurseur organique, comme dans l’approche bien établie de dépôt de vapeur chimique de cadres métalliques-organiques. En outre, nous combinons cette approche avec ASD pour obtenir des films MOF modelés. Ensuite, le dépôt direct de films minces MOF par SALD est exploré. Enfin, nous montrons que lors de l’utilisation de petites quantités de molécules de ligand lors du dépôt de l’AP-SALD, elles permettent en effet d’ajuster la texture et la croissance des films ZnO obtenus.

Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposition (AP-SALD) is a particular case of the well-known ALD technique. In both cases, the thin film deposition is based on self-limiting chemical reactions between a gas precursor and a surface, which ensures the layer-by-layer growth of the films. As a result, sub-nanometric control over the thickness of the film and unique conformality, even on high-aspect-ratio of complex 3D structures, is possible.AP-SALD is a fast approach, up to two orders of magnitude faster than conventional ALD, even when working in open-air. Because it is rapid and does not need vacuum processing, it is well suited for scaling-up processes. Furthermore, without using any masks, it can be employed to diminish up to several μm (or mm) the fabrication of materials on the XY axes. Also, by proper system design and optimization, AP-SALD allows l to have area-selective deposition (ASD) in a single step, avoiding lithography processing.MOF films are hybrid materials with versatile physical and chemical properties. MOFs represent an essential component with several advantages for potential applications, as optoelectronics, sensing, and separation technologies. Until recently, MOF thin films have been obtained using approaches based on the bulk synthesis, but nowadays, different techniques are being developed, leading to excellent spatiotemporal control of the building blocks and exceptional control over the thickness of the wanted films.The aim of this work is to show the potential of the AP-SALD for the deposition of MOF thin films. First, it is shown that AP-SALD can be used to deposit a sacrificial layer and then to form a MOF film by exposing this layer to the organic precursor, as in the well-established metal-organic frameworks chemical vapor deposition approach. Furthermore, we combine this approach with ASD to obtain patterned MOF films. Then, the direct deposition of MOF thin films by SALD is explored. Finally, we show that when using small amounts of ligand molecules during the AP-SALD deposition, they indeed allow tuning the texture and the growth of the obtained ZnO films.