Dynamique de croissance par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc

Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique de croissance par pulvérisation par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc destinées à des applications électroniques, optoélectroniques et photoniques de pointe. Dans ce contexte, nous avons mis au point plusieurs diagnostics permettant de caractériser les espèces neutres et chargées dans ce type de plasmas, notamment la sonde électrostatique, la spectroscopie optique d’émission et d’absorption, ainsi que la spectrométrie de masse. Par la suite, nous avons tenté de corréler certaines caractéristiques physiques de croissance des couches de ZnO, en particulier la vitesse de dépôt, aux propriétés fondamentales du plasma. Nos résultats ont montré que l’éjection d’atomes de Zn, In et O au cours de la pulvérisation RF magnétron de cibles de Zn, ZnO et In2O3 n’influence que très peu la densité d’ions positifs (et donc la densité d’électrons en supposant la quasi-neutralité) ainsi que la fonction de distribution en énergie des électrons (populations de basse et haute énergie). Cependant, le rapport entre la densité d’atomes d’argon métastables (3P2) sur la densité électronique décroît lorsque la densité d’atomes de Zn augmente, un effet pouvant être attribué à l’ionisation des atomes de Zn par effet Penning. De plus, dans les conditions opératoires étudiées (plasmas de basse pression, < 100 mTorr), la thermalisation des atomes pulvérisés par collisions avec les atomes en phase gazeuse demeure incomplète. Nous avons montré que l’une des conséquences de ce résultat est la présence d’ions Zn+ suprathermiques près du substrat. Finalement, nous avons corrélé la quantité d’atomes de Zn pulvérisés déterminée par spectroscopie d’émission avec la vitesse de dépôt d’une couche mince de ZnO mesurée par ellipsométrie spectroscopique. Ces travaux ont permis de mettre en évidence que ce sont majoritairement les atomes de Zn (et non les espèces excitées et/ou ioniques) qui gouvernent la dynamique de croissance par pulvérisation RF magnétron des couches minces de ZnO.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Estudo estrutural dos precursores, intermediários e colóides derivados do acetato de zinco e propriedades elétricas, óticas e estruturais dos filmes de óxido de zinco dopados com índio

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Étude de films de nanotubes de carbone dans le domaine de fréquences térahertz : propriété antiréfléchissante

Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke.

Rapport M/L de disques de galaxies issus de modèles CSPE et contrôle des contraintes mécaniques dans la conception de revêtements optiques

La thèse qui suit est organisée en deux volets: un premier volet portant sur les modèles de masse de galaxies et un second volet sur la conception de revêtements optiques et le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Les modèles de masse présentés dans cette thèse ont été réalisés sur un sous-échantillon de dix galaxies de l'étude SINGS comprenant neuf galaxies normales et une galaxie naine. Ce travail visait à fixer le rapport masse-luminosité du disque à tout rayon en utilisant les résultats de modèles d'évolution galactique chimio-spectrophotométriques ajustés spécifiquement à chaque galaxie grâce à son profil de photométrie multi-bandes. Les résultats montrent que les disques stellaires tels que normalisés par les rapports masse-luminosité issus des modèles ont des masses cohérentes dans toutes les bandes étudiées de l'ultra-violet, du visible ainsi que du proche infrarouge (bandes FUV à IRAC2). Ces disques peuvent être considérés comme maximaux par rapport aux données cinématiques des galaxies étudiées. Ceci est dû au fait que le rapport M/L est plus élevé au centre que sur les bords. Les disques étant maximaux et physiquement justifiés, on ne peut dès lors ignorer les effets de composants tels que les bulbes ou les barres et les corrections nécessaires doivent être apportées aux profils de luminosité et de vitesses de rotation de la galaxie. Dans les travaux de la seconde partie, le logiciel en développement libre OpenFilters a été modifié afin de tenir compte des contraintes mécaniques dans la conception numérique de revêtements optiques. Les contraintes mécaniques dans les couches minces ont un effet délétère sur leurs performances optiques. Un revêtement destiné à rendre réflectives les lames d'un étalon Fabry-Perot utilisé en astronomie a été conçu et fabriqué afin d'évaluer les performances réelles de la méthode. Ce cas a été choisi à cause de la diminution de la finesse d'un étalon Fabry-Perot apporté par la courbure des lames sous l'effet des contraintes. Les résultats montrent que les mesures concordent avec les modèles numériques et qu'il est donc possible à l'aide de ce logiciel d'optimiser les revêtements pour leur comportement mécanique autant que pour leurs propriétés optiques.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Nouveaux copolymères à base de thieno-pyrazine et thieno-thiadiazole pour l'électronique organique

Une partie appréciable de la recherche moderne dans le domaine du photovoltaïque est basée sur des systèmes organiques sur couches minces. Les photo-détecteurs organiques ne diffèrent des technologies photovoltaïques solaires que par leurs structures chimiques au sein de la couche active, ainsi que par certaines propriétés nécessaires à leurs viabilités. Afin d’obtenir un matériau photoactif dans le proche infrarouge, la structure chimique doit être choisie et conçue de façon à placer ses bandes d’absorptions aux bons endroits. Un contrôle précis de la bande interdite du polymère dictera à quel point ce matériau peut servir à des fins de photo-détections. Les unités thieno-pyrazine et thieno-thiadiazole sont reconnues comme ayant un fort caractère électronique et viennent aisément produire des polymères à faible bande interdite lorsqu’ elles y sont incorporées. Au sein d’un système à hétérojonction de type donneur / accepteur, la miscibilité entre ces deux est cruciale et viendra justifier les performances finales d’un dispositif. Cette miscibilité dictera la morphologie de la couche active, qui est trop souvent imprévisible lors de la conception des structures chimiques des composés. On peut par contre penser à baser une étude sur une morphologie déjà établie, en balisant la structure globale du polymère, tout en modifiant ses fonctionnalités pour avoir un contrôle sur les propriétés électroniques finales. Une structure de poly (4,4’’-didodecyl-2,2’:5’,2’’-terthiophène) dont la morphologie est connue sera donc utilisée dans ce projet et une modification de son thiophène central viendra moduler son activité optique pour en faire un bon candidat en photo-détection infrarouge. Ces travaux ont permis de développer de nouveaux polymères conjugués et de vérifier leurs propriétés électro-optiques.

Optical emission spectroscopy as a process-monitoring tool in PECVD of amorphous carbon coatings

Dans ce projet de recherche, le dépôt des couches minces de carbone amorphe (généralement connu sous le nom de DLC pour Diamond-Like Carbon en anglais) par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition en anglais) a été étudié en utilisant la Spectroscopie d’Émission Optique (OES) et l’analyse partielle par régression des moindres carrés (PLSR). L’objectif de ce mémoire est d’établir un modèle statistique pour prévoir les propriétés des revêtements DLC selon les paramètres du procédé de déposition ou selon les données acquises par OES. Deux séries d’analyse PLSR ont été réalisées. La première examine la corrélation entre les paramètres du procédé et les caractéristiques du plasma pour obtenir une meilleure compréhension du processus de dépôt. La deuxième série montre le potentiel de la technique d’OES comme outil de surveillance du procédé et de prédiction des propriétés de la couche déposée. Les résultats montrent que la prédiction des propriétés des revêtements DLC qui était possible jusqu’à maintenant en se basant sur les paramètres du procédé (la pression, la puissance, et le mode du plasma), serait envisageable désormais grâce aux informations obtenues par OES du plasma (particulièrement les indices qui sont reliées aux concentrations des espèces dans le plasma). En effet, les données obtenues par OES peuvent être utilisées pour surveiller directement le processus de dépôt plutôt que faire une étude complète de l’effet des paramètres du processus, ceux-ci étant strictement reliés au réacteur plasma et étant variables d’un laboratoire à l’autre. La perspective de l’application d’un modèle PLSR intégrant les données de l’OES est aussi démontrée dans cette recherche afin d’élaborer et surveiller un dépôt avec une structure graduelle.

Greffage d’un film mince de nano-TiO2 sur les fibres naturelles cellulosiques pour le renforcement de biocomposites polymériques

Abstract : Natural materials have received a full attention in many applications because they are degradable and derived directly from earth. In addition to these benefits, natural materials can be obtained from renewable resources such as plants (i.e. cellulosic fibers like flax, hemp, jute, and etc). Being cheap and light in weight, the cellulosic natural fiber is a good candidate for reinforcing bio-based polymer composites. However, the hydrophilic nature -resulted from the presence of hydroxyl groups in the structure of these fibers- restricts the application of these fibers in the polymeric matrices. This is because of weak interfacial adhesion, and difficulties in mixing due to poor wettability of the fibers within the matrices. Many attempts have been done to modify surface properties of natural fibers including physical, chemical, and physico-chemical treatments but on the one hand, these treatments are unable to cure the intrinsic defects of the surface of the fibers and on the other hand they cannot improve moisture, and alkali resistance of the fibers. However, the creation of a thin film on the fibers would achieve the mentioned objectives. This study aims firstly to functionalize the flax fibers by using selective oxidation of hydroxyl groups existed in cellulose structure to pave the way for better adhesion of subsequent amphiphilic TiO[subscript 2] thin films created by Sol-Gel technique. This method is capable of creating a very thin layer of metallic oxide on a substrate. In the next step, the effect of oxidation on the interfacial adhesion between the TiO[subscript 2] film and the fiber and thus on the physical and mechanical properties of the fiber was characterized. Eventually, the TiO[subscript 2] grafted fibers with and without oxidation were used to reinforce poly lactic acid (PLA). Tensile, impact, and short beam shear tests were performed to characterize the mechanical properties while Thermogravimetric analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dynamic mechanical analysis (DMA), and moisture absorption were used to show the physical properties of the composites. Results showed a significant increase in physical and mechanical properties of flax fibers when the fibers were oxidized prior to TiO[subscript 2] grafting. Moreover, the TiO[subscript 2] grafted oxidized fiber caused significant changes when they were used as reinforcements in PLA. A higher interfacial strength and less amount of water absorption were obtained in comparison with the reference samples.

Revêtement intelligent à base des silices mésoporeuses fonctionnalisées pour le relargage stimulé d’agents antimicrobiens

Les biofilms bactériens sont composés d’organismes unicellulaires vivants au sein d’une matrice protectrice, formée de macromolécules naturelles. Des biofilms non désirés peuvent avoir un certain nombre de conséquences néfastes, par exemple la diminution du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleurs, l’obstruction de membranes poreuses, la contamination des surfaces coques de navires, etc. Par ailleurs, les bactéries pathogènes qui prolifèrent dans un biofilm posent également un danger pour la santé s’ils croissent sur des surfaces médicales synthétiques comme des implants biomédicaux, cathéters ou des lentilles de vue. De plus, la croissance sur le tissu naturel par certaines souches des bactéries peut être fatale, comme Pseudomonas aeruginosa dans les poumons. Cependant, la présence de biofilms reste difficile à traiter, car les bactéries sont protégées par une matrice extracellulaire. Pour tenter de remédier à ces problèmes, nous proposons de développer une surface antisalissure (antifouling) qui libère sur demande des agents antimicrobiens. La proximité et la disposition du système de relargage placé sous le biofilm, assureront une utilisation plus efficace des molécules antimicrobiennes et minimiseront les effets secondaires de ces dernières. Pour ce faire, nous envisageons l’utilisation d’une couche de particules de silice mésoporeuses comme agents de livraison d’agents antimicrobiens. Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) ont démontré un fort potentiel pour la livraison ciblée d’agents thérapeutiques et bioactifs. Leur utilisation en nano médecine découle de leurs propriétés de porosité intéressantes, de la taille et de la forme ajustable de ces particules, de la chimie de leur surface et leur biocompatibilité. Ces propriétés offrent une flexibilité pour diverses applications. De plus, il est possible de les charger avec différentes molécules ou biomolécules (de tailles variées, allant de l’ibuprofène à l’ARN) et d’exercer un contrôle précis des paramètres d’adsorption et des cinétiques de relargage (désorption). Mots Clés : biofilms, nanoparticules de silice mésoporeuses, microfluidique, surface antisalissure.

Synthèse de couches ultra-minces de siliciures sur silicium cristallin et endommagé étudiée par microscopie et profilométrie en profondeur

Les siliciures métalliques constituent un élément crucial des contacts électriques des transistors que l'on retrouve au coeur des circuits intégrés modernes. À mesure qu'on réduit les dimensions de ces derniers apparaissent de graves problèmes de formation, liés par exemple à la limitation des processus par la faible densité de sites de germination. L'objectif de ce projet est d'étudier les mécanismes de synthèse de siliciures métalliques à très petite échelle, en particulier le NiSi, et de déterminer l’effet de l’endommagement du Si par implantation ionique sur la séquence de phase. Nous avons déterminé la séquence de formation des différentes phases du système Ni-Si d’échantillons possédant une couche de Si amorphe sur lesquels étaient déposés 10 nm de Ni. Celle-ci a été obtenue à partir de mesures de diffraction des rayons X résolue en temps et, pour des échantillons trempés à des températures critiques du processus, l’identité des phases et la composition et la microstructure ont été déterminées par mesures de figures de pôle, spectrométrie par rétrodiffusion Rutherford et microscopie électronique en transmission (TEM). Nous avons constaté que pour environ la moitié des échantillons, une réaction survenait spontanément avant le début du recuit thermique, le produit de la réaction étant du Ni2Si hexagonal, une phase instable à température de la pièce, mélangée à du NiSi. Dans de tels échantillons, la température de formation du NiSi, la phase d’intérêt pour la microélectronique, était significativement abaissée.

Formation of one-dimensional capped ZnO nanoparticle assemblies at the air/water interface

The self-assembling behavior and microscopic structure of zinc oxide nanoparticle Langmuir-Blodgett monolayer films were investigated for the case of zinc oxide nanoparticles coated with a hydrophobic layer of dodecanethiol. Evolution of nanoparticle film structure as a function of surface pressure (π) at the air-water interface was monitored in situ using Brewster’s angle microscopy, where it was determined that π=16 mN/m produced near-defect-free monolayer films. Transmission electron micrographs of drop-cast and Langmuir-Schaefer deposited films of the dodecanethiol-coated zinc oxide nanoparticles revealed that the nanoparticle preparation method yielded a microscopic structure that consisted of one-dimensional rodlike assemblies of nanoparticles with typical dimensions of 25 x 400 nm, encased in the organic dodecanethiol layer. These nanoparticle-containing rodlike micelles were aligned into ordered arrangements of parallel rods using the Langmuir-Blodgett technique.