Des films minces qui « fleurissent » pour de meilleures performances

Les films minces sont des couches de matériaux très fines déposés sur un support ou substrat, dont l’épaisseur varie de quelques nanomètres à quelques micromètres. Ces revêtements, qui définissent les propriétés de la surface, sont au cœur de nombreuses technologies, depuis les systèmes optiques jusqu’aux dispositifs biomédicaux en passant par l’électronique et les panneaux solaires. Pour des applications dans le domaine de la catalyse ou du stockage électrochimique de l’énergie, il est nécessaire de disposer de films minces présentant la plus grande réactivité possible, c’est-à-dire une surface spécifique maximale pour pouvoir interagir au mieux avec les réactifs. Or, jusqu’à présent, les différents procédés de dépôt ne permettaient pas de contrôler ou de moduler cette caractéristique de manière simple et reproductible. 

Et si la clé pour améliorer les performances de ces dispositifs résidait dans la rugosité des substrats ? Une équipe réunissant des scientifiques de l’Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine), l’Université de Namur (Belgique),l’ ICS-Innovative Coating Solutions (Belgique), l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (CNRS/ Nantes Université), l’Institut Femto-ST (CNRS/ Université Marie et Louis Pasteur), et d’autres partenaires français et internationaux, vient de montrer qu’en contrôlant finement la topographie du support sur lequel est déposé le film mince, ils parviennent à transformer ces couches habituellement denses en véritables architectures tridimensionnelles. Au lieu de former une couche compacte, le matériau se ramifie pour produire des structures plus ouvertes, comparables à des « fleurs » ou des « plumes », offrant une surface réactive bien plus étendue. 

Pour réaliser ces dépôts, les scientifiques ont utilisé une technique industrielle éprouvée, la pulvérisation cathodique magnétron, qui consiste à bombarder une cible métallique avec des ions pour éjecter des atomes qui se déposent ensuite sur un substrat. Ils ont ainsi pulvérisé des nitrures métalliques — composés combinant un métal de transition (nickel, chrome, vanadium, titane…) et de l’azote — connus pour leurs propriétés électrochimiques exceptionnelles. Des systèmes qui pourraient présenter des applications dans le domaine de la production d’hydrogène.

En combinant expériences et simulations numériques, ils montrent que sur une surface plane, les atomes s’organisent de façon compacte en colonnes serrées. En revanche, sur une surface irrégulière, des effets d’ombrage apparaissent : certaines zones reçoivent moins de matière, ce qui favorise une croissance plus « libre » et espacée. 

Les images obtenues par microscope électronique illustrent clairement ce constat. Sur une surface de silicium plane, régulière et sans aspérité, les atomes pulvérisés se déposent de manière homogène et compacte. Résultat : une surface peu poreuse et une faible réactivité. Sur une surface de nanomatériaux carbonés assemblés pour former un réseau enchevêtré présentant un relief lié aux parois des nanomatériaux, les atomes déposés s’accumulent uniquement sur les parties les plus exposées formant alors des structures ramifiées et poreuses.

Ces travaux, publiés dans la revue Adv. Funct. Mater., ouvrent la voie à une nouvelle manière de réaliser les films minces par pulvérisation non plus comme de simples revêtements mais comme des architectures tridimensionnelles dont les propriétés peuvent être pilotées dès la phase de croissance. De plus, cette stratégie utilise une technique industrielle bien maîtrisée, la pulvérisation cathodique, et ne nécessite pas de procédés chimiques complexes car elle repose uniquement sur la rugosité du substrat et les conditions de dépôt. Une avancée qui pourrait impacter de nombreuses applications allant de l’énergie à l’environnement.

Rédacteur : Christophe CARTIER DIT MOULIN