Les chercheurs du CRISMAT (UMR 6508) et du CIMAP (UMR 6252, UNICAEN, ENSICAEN, CNRS) viennent de publier une étude majeure dans Advanced Materials Interfaces sur l’impact des corrélations électroniques fortes dans les oxydes transparents conducteurs (TCO) à base de SrVO₃. Ces matériaux, qui combinent une transparence optique et une conductivité électrique comparables à celles de l’oxyde d’indium-étain (ITO), représentent une alternative prometteuse pour les technologies d’affichage, les cellules solaires et l’électronique transparente.

L’étude montre que les propriétés fonctionnelles du SrVO₃, comme sa résistivité électrique et sa transparence optique, sont fortement influencées par les désordres électroniques et structuraux induits par des traitements thermiques. En recuisant des couches minces de SrVO₃ à des températures allant de 150 °C à 250 °C, les chercheurs ont observé une transition progressive d’un état métallique cohérent vers un état moins cohérent, marqué par une augmentation de la résistivité et une modification de la structure de bande électronique.

Un résultat marquant est la robustesse de la transparence optique malgré les changements structuraux. Même après un recuit à 200 °C, où une partie du film devient amorphe, la partie cristalline conserve ses propriétés métalliques, assurant une conductivité suffisante tout en améliorant légèrement la transparence grâce à un effet antireflet naturel. En revanche, à 250 °C, le film devient entièrement amorphe et perd ses propriétés conductrices, confirmant le rôle clé de la structure cristalline dans la conduction électronique.

Cette étude ouvre des perspectives pour optimiser les performances des TCO en contrôlant finement les corrélations électroniques et les désordres structuraux. Elle souligne également l’importance de la cohérence des électrons de conduction pour maintenir une faible résistivité, tout en montrant que la transparence optique est moins sensible à ces variations.

Ces travaux, soutenus par le CNRS, la Région Normandie et l’ANR, renforcent la position du CIMAP et du CRISMAT comme acteurs majeurs dans le développement de matériaux innovants pour l’électronique transparente.

Pour en savoir plus :

Contacter Julien Cardin (CIMAP) (julien.cardin@ensicaen.fr)

Lien vers la publication :

https://hal.science/hal-05520236

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202501094

Les couches minces de pentoxyde de tantale (Ta₂O₅) sont des matériaux clés pour les applications optiques et photoniques, grâce à leur indice de réfraction élevé et leur faible coefficient d’extinction. Ces propriétés en font des candidats idéaux pour les filtres interférentiels, les revêtements antireflets, les guides d’ondes optiques et les dispositifs microélectroniques. Cependant, leurs performances dépendent fortement des conditions de dépôt et des traitements thermiques. Des chercheurs ont étudié comment ajuster précisément ces paramètres pour obtenir le meilleur compromis entre transparence, indice élevé et stabilité structurale, ouvrant la voie à de nouveaux matériaux optiques performants.

Les couches minces de Ta₂O₅ suscitent un intérêt majeur dans les dispositifs optiques et électroniques grâce à leur indice de réfraction élevé (n ~ 2,1–2,3) et leur faible coefficient d’extinction (k < 10⁻⁴), deux propriétés essentielles pour la fabrication de dispositifs optiques de haute précision. Cependant, leurs performances optiques et structurales dépendent fortement des conditions de dépôt et des traitements thermiques post dépôt. Avant cette étude, les couches déposées par pulvérisation cathodique présentaient des variations significatives de leurs propriétés, avec une phase amorphe privilégiée pour sa transparence, mais un indice de réfraction inférieur à celui de la phase cristalline, cette dernière étant cependant associée à des défauts structuraux et à des pertes optiques accrues, limitant leur utilisation dans certaines applications.

Dans cette étude, les chercheurs ont déposé des couches minces de Ta₂O₅ sur silicium par pulvérisation cathodique radiofréquence (RF), en faisant varier la densité de puissance (2,19 à 6,57 W/cm²), le débit d’oxygène (0 à 16 sccm) et la température de recuit thermique rapide (RTA, de 450 °C à 850 °C). Les propriétés structurales ont été analysées par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie infrarouge (FTIR) et microscopie électronique en transmission (TEM), tandis que les propriétés optiques ont été caractérisées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie.

Cette étude a permis de mettre en évidence plusieurs résultats majeurs : un rapport Ta/O proche de la stœchiométrie (0,38) a été obtenu pour une densité de puissance de 3,29 W/cm² et un débit d’oxygène de 8 sccm, offrant une composition optimale pour des propriétés optiques stables. La cristallisation, initiée à 650 °C, conduit à une phase orthorhombique (β-Ta₂O₅) dominante à plus haute température, comme confirmé par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique en transmission (TEM). L’indice de réfraction (n) atteint ainsi un maximum de 2,24 à 750 °C, avant de diminuer à 2,18 à 850 °C, en raison de la densification puis de la dégradation structurale. Par ailleurs, le coefficient d’extinction (k) subit un décalage vers le rouge, passant de 4 eV à 3 eV après cristallisation, traduisant une augmentation de l’absorption liée à la formation de défauts structuraux, notamment des lacunes d’oxygène. Enfin, la bande interdite optique (Eg) diminue de 4,14 eV à 2,5 eV après cristallisation, en raison de la création d’états intermédiaires dans la bande interdite.

En conclusion, cette étude montre qu’un compromis optimal entre un indice de réfraction élevé, une faible perte optique et une large fenêtre de transparence peut être atteint en contrôlant la phase amorphe ou cristalline des couches. Les couches amorphes présentent un indice de réfraction de 2,15 et une fenêtre de transparence relative étendue (1,55–4,5 eV), alors que les couches cristallines offrent un indice de réfraction plus élevé (2,24), mais une transparence réduite due à l’absorption sous-bande interdite. Ces résultats ouvrent des perspectives pour des applications optiques avancées, comme les filtres interférentiels, les guides d’ondes non linéaires ou les métamatériaux photoniques, et suggèrent comme prochaine étape l’optimisation des conditions de recuit pour minimiser les défauts structuraux et améliorer encore les performances optiques.

Référence :

Tailoring structural and optical properties of Ta₂O₅ thin films via radio frequency magnetron sputtering for high-refractive index transparent materials,
Aïmane Cheikh, Jeremie Gonçalves, Christophe Labbé, Xavier Portier, Philippe Marie, Cedric Frilay, Olivier Debieu, Sylvain Duprey, Wojciech Jadwisienczak, David Ingram, Julien Cardin, Journal of Alloys Compounds, 1040, 183273 (2025).

Base de données refractive index.info

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Contact CEA : Julien Cardin, IRAMIS/CIMAP/NIMPh

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Collaboration :

• Centre interuniversitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux – CIRIMAT (UMR CNRS, Université Toulouse, Toulouse INP), France.
• Nanoscale & Quantum Phenomena Institute – NQPI, Ohio University, USA.

Cette étude compare les propriétés des films de Black Aluminium (B-Al) et d'aluminium réfléchissant (R-Al) déposés sur des substrats de silice fondue. Les résultats montrent que le B-Al, grâce à sa structure poreuse, réduit la réflectivité dans le visible et augmente l'émissivité dans l'infrarouge. Cette propriété est due à la présence de nitrures d'aluminium et d'une couche superficielle oxydée. Le B-Al a également une conductivité thermique et une capacité calorifique volumétrique inférieures à celles du R-Al, mais une capacité calorifique plus élevée. Ces caractéristiques sont essentielles pour des applications dans la conversion d'énergie et le refroidissement thermique passif.

Il s’agit d’une collaboration entre l'Institute of Physics (Czech Academy of Sciences), le Department of Physics and Measurements (University of Chemistry and Technology Prague), le New Technologies Research Centre (University of West Bohemia), l'Institute of Physics (University of Tartu), le CIMAP (Normandie Université), et la Charles University (Faculty of Mathematics and Physics).

Langmuir 2025, 41, 6, 3832–3842

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c03838

https://hal.science/hal-04864348v1

Nous avons réalisé la couverture de la revue Langmuir du 18 février 2025.