PROCEDE DE STRUCTURATION DE SURFACE PAR GRAVURE IONIQUE SURFACE STRUCTURING METHOD BY ION ETCHING
REACTIVE, REACTIVE
SURFACE STRUCTUREE ET UTILISATIONS La présente invention concerne le domaine de la structuration de surface et vise en particulier un procédé de structuration de surface par gravure ionique réactive, un produit à surface structurée et ses utilisations. The present invention relates to the field of surface structuring and is aimed in particular at a surface-structuring method by reactive ion etching, a structured surface product and its uses.
La structuration des matériaux représente un intérêt considérable car elle trouve des applications dans de nombreux domaines technologiques. The structuring of materials is of considerable interest because it finds applications in many technological fields.
La création d'un réseau de motifs géométriques permet de conférer à un matériau une fonction nouvelle et originale sans changer sa composition et ses propriétés en volume. The creation of a network of geometric patterns makes it possible to give a material a new and original function without changing its composition and its volume properties.
Par des motifs de petites dimensions caractéristiques, notamment de largeur ou de période submicronique, les techniques de structuration sont en grande majorité des techniques utilisant des masques de transfert pour gravure liquide ou sèche notamment des techniques lithographiques (lithographie optique, lithographie électronique...), utilisés en microélectronique, ou pour des (petits) composants d'optique intégrée. Characteristic techniques of small dimensions, in particular width or submicron period, the techniques of structuring are for the most part techniques using transfer masks for liquid or dry etching including lithographic techniques (optical lithography, electronic lithography ...) , used in microelectronics, or for (small) integrated optical components.
La gravure ionique réactive (RIE en anglais fait partie des techniques de structuration du verre avec des gaz réactifs qui sont des dérivés fluorés ou chlorés l'hexafluorure de soufre, (SF6) ou le tétrafluorure de carbone (CF4) étant les plus courants par masquage souvent lithographique . Reactive ion etching (RIE) is one of the techniques for structuring glass with reactive gases that are fluorinated or chlorinated derivatives sulfur hexafluoride (SF 6 ) or carbon tetrafluoride (CF 4 ) being the most common by often lithographic masking.
Elles sont cependant inadaptées aux procédés de fabrication de masse de produits notamment verriers pour l'une ou plusieurs des raisons suivantes : However, they are unsuitable for mass production processes for glass products, for one or more of the following reasons:
leur coût élevé (fabrication du masque; mise en place, alignement...); their high cost (manufacture of the mask, setting up, alignment ...);
- leur lenteur (balayage) et leur complexité (plusieurs étapes) ; - their slowness (scanning) and their complexity (several stages);
la limitation de la taille des motifs (par la longueur d'onde) ; the limitation of the size of the patterns (by the wavelength);
la faible taille des surfaces structurables. the small size of the structural surfaces.
Ainsi, la présente invention a d'abord pour objet un procédé performant de fabrication d'un produit structuré, notamment verrier, à l'échelle submicronique et en adéquation avec les contraintes industrielles : rapidité et simplicité de conception (sans nécessité de masquage, en une étape de préférence), et/ou adaptation à toute taille de surface, même les plus larges, et avec une souplesse et une contrôle sur le type et/ou la taille de motifs et leur densité. Thus, the present invention firstly relates to a high-performance method of manufacturing a structured product, especially glass, on a submicron scale and in line with industrial constraints: speed and simplicity of design (without the need for masking, in particular a step preferably), and / or adaptation to any size of surface, even the largest, and with flexibility and control over the type and / or size of patterns and their density.
Ce procédé vise également à élargir la gamme de produits structurés disponibles notamment verriers, notamment vise à obtenir de nouvelles géométries de nouvelles fonctionnalités et/ou applications.
A cet effet, l'invention propose d'abord un procédé de structuration de surface c'est-à-dire de formation d'au moins un ensemble d'irrégularités appelées motifs (généralement de même forme en moyenne) avec une hauteur submicronique et au moins une dimension latérale (dit largeur) submicronique ou micronique sub millimétrique) par gravure ionique réactive qui comporte les étapes suivantes : This process also aims to expand the range of structured products available including glass, in particular aims to obtain new geometries of new features and / or applications. For this purpose, the invention firstly proposes a surface structuring method that is to say forming at least one set of irregularities called patterns (generally of the same shape on average) with a submicron height and at least one sub-micron or micron sub-millimetric lateral dimension (called width) by reactive ion etching which comprises the following steps:
- la fourniture dudit matériau d'épaisseur au moins égale à 100 nm, matériau solide hybride et comprenant : the supply of said material having a thickness of at least 100 nm, a hybrid solid material and comprising:
un oxyde simple ou mixte de silicium, le pourcentage molaire en oxyde dans le matériau étant au moins de 40%, notamment entre 40 et 99%, - et au moins une espèce de nature distincte du silicium de l'oxyde, notamment plus mobile que l'oxyde de silicium sous gravure ionique réactive, qui est de préférence un métal, le pourcentage molaire en espèce(s) dans le matériau allant de 1 % voire jusqu'à 50%, notamment allant de 5% à 20% voire 40% et étant inférieur au pourcentage dudit oxyde, espèce, avec au moins la majorité de l'espèce (ou des espèces), voire au moins 80% voire au moins 90%, ayant une plus grande dimension caractéristique (dite taille) inférieure à 50 nm, préférentiellement inférieure ou égale à 25 nm, voire inférieure ou égale 15 nm, a single or mixed oxide of silicon, the molar percentage of oxide in the material being at least 40%, especially between 40 and 99%, and at least one species of nature distinct from the silicon of the oxide, in particular more mobile than silicon oxide under reactive ion etching, which is preferably a metal, the molar percentage of species (s) in the material ranging from 1% to even 50%, especially ranging from 5% to 20% or even 40% and being less than the percentage of said oxide, species, with at least the majority of the species (or species), or even at least 80% or even at least 90%, having a larger characteristic dimension (called size) less than 50 nm , preferably less than or equal to 25 nm, or even less than or equal to 15 nm,
- notamment ledit matériau hybride étant métastable avant la gravure, c'est-à-dire stable cinétiquement dans les conditions normales de température et de pression et instable thermodynamiquement dans les conditions normales de température et de pression, étant dans un minimum local d'énergie potentielle, séparé du minimum global par une énergie d'activation Ea donnée, - In particular said hybrid material being metastable before etching, that is to say kinetically stable under normal conditions of temperature and pressure and thermodynamically unstable under normal conditions of temperature and pressure, being in a local minimum of energy potential, separated from the global minimum by a given activation energy Ea,
- le (pré)chauffage éventuel avant la gravure le matériau, notamment de façon à diminuer (sans annuler) l'énergie d'activation jusqu'à une valeur E1 qui est alors apportée par la gravure, (chauffage éventuel car si Ea est trop élevée, la cinétique de l'agrégation de l'espèce mobile de type métal est trop lente par rapport à la vitesse d'gravure du matériau hybride), le (pré)chauffage et la gravure pouvant être espacés dans le temps, le préchauffage pouvant éventuellement être remplacé par un traitement radiatif type IR, the (pre) heating possible before the etching the material, in particular so as to reduce (without canceling) the activation energy up to a value E1 which is then provided by the etching, (possible heating because if Ea is too much high, the kinetics of the aggregation of the metal-type mobile species is too slow with respect to the etching rate of the hybrid material), the (pre) heating and etching being able to be spaced out in time, the preheating being possible possibly be replaced by an IR radiative treatment,
- la structuration de la surface dudit matériau hybride sous ladite gravure ionique réactive, rendant ainsi ledit matériau hybride (métastable) instable cinétiquement par l'apport d'énergie des ions du faisceau, structuration ainsi obtenue par la formation d'un masque autoentretenu composé d'un ensemble de zones (en forme de gouttelettes) essentiellement de ladite espèce, de type
métal, et/ou d'un ensemble de zones enrichies en ladite espèce, de type métal du matériau, masque formé grâce à l'agrégation de ladite espèce de type métal sur la surface dudit matériau hybride, the structuring of the surface of said hybrid material under said reactive ion etching, thus rendering said hybrid material (metastable) kinetically unstable by the energy input of the beam ions, thus structuring obtained by the formation of a self-contained mask composed of a set of droplet-shaped zones essentially of said species, of type metal, and / or a set of zones enriched in said species, of metal type of the material, mask formed by the aggregation of said metal type species on the surface of said hybrid material,
- avec une durée d'gravure inférieure à 30 min, de préférence inférieure ou égale à 15 min voire même inférieure ou égale à 10 min, dudit matériau solide hybride (métastable), on veille ainsi à ne pas consommer le matériau notamment en couche, with an etching time of less than 30 min, preferably less than or equal to 15 min or even less than or equal to 10 min, of said hybrid solid material (metastable), it is thus ensured that the material is not consumed in particular as a layer,
- par le gaz réactif, typiquement fluoré ou chloré, SF6 CF4) ou
- by the reactive gas, typically fluorinated or chlorinated, SF 6 CF 4 ) or
- avec une surface d'gravure supérieure à 1 cm2, voire supérieure ou égale à 10 cm2, voire à 1 m2, with an etching surface greater than 1 cm 2 , or even greater than or equal to 10 cm 2 or even 1 m 2 ,
- avec l'application éventuelle d'un champ électrique pour rendre la gravure directionnelle, - with the possible application of an electric field to make the directional engraving,
jusqu'à former ledit ensemble de motifs. until forming said set of patterns.
- le chauffage éventuel pendant la gravure du matériau hybride, notamment de façon à diminuer (sans annuler) l'énergie d'activation. the possible heating during the etching of the hybrid material, in particular so as to reduce (without canceling) the activation energy.
Jusqu'à présent, la structuration sans masque sous gravure ionique réactive du verre et plus largement des oxydes de silicium rapide n'a jamais été observée. Until now, mask-free structuring under reactive ion etching of glass and more widely of fast silicon oxides has never been observed.
Or la Demanderesse a identifié les propriétés intrinsèques d'un matériau à base d'oxyde qui rendent possible la gravure ionique réactive sans masquage et qui contrôlent la morphologie des surfaces créées pendant la gravure. However, the Applicant has identified the intrinsic properties of an oxide-based material that make it possible to perform reactive ion etching without masking and which control the morphology of the surfaces created during etching.
L'oxyde de silicium et l'élément mobile vont se ségréger si on leur fournit l'énergie nécessaire par la gravure ionique réactive Silicon oxide and mobile element will segregate if provided with the energy required by reactive ion etching
La gravure et la création du masque sont simultanées. Les propriétés intrinsèques du matériau contrôle la morphologie de surface crée pendant la gravure. The engraving and the creation of the mask are simultaneous. The intrinsic properties of the material control the surface morphology created during etching.
Il est ainsi possible de faire un matériau structuré, directement fonctionnel, en une étape. It is thus possible to make a structured material, directly functional, in one step.
Dans l'oxyde, il s'agit ainsi d'ajouter au moins une espèce ad hoc, notamment ayant les propriétés suivantes que l'homme du métier sélectionnera : In the oxide, it is thus necessary to add at least one ad hoc species, in particular having the following properties that the skilled person will select:
- une mobilité supérieure à celle de l'oxyde de Si sous gravure ionique réactive, pour que la ségrégation et le masquage dominent la relaxation de la surface qui lisse la surface, pour sélectionner ainsi l'espèce on peut s'aider par exemple des études sur la diffusion des ions dans les silicates ou dans les autres oxydes) a higher mobility than that of Si oxide under reactive ionic etching, so that segregation and masking dominate the relaxation of the surface which smooths the surface, to thus select the species, one can for example help studies on the diffusion of ions in silicates or in other oxides)
- une énergie de cohésion suffisamment élevée pour permettre sa ségrégation. a cohesive energy high enough to allow segregation.
L'espèce est en quantité suffisante sur la large surface de gravure pour alimenter le masquage et obtenir une densité de motifs suffisante.
L'espèce est sur une profondeur suffisante liée à la profondeur souhaitée de gravure, pour alimenter le masquage au cours de la gravure. The species is in sufficient quantity on the large etching surface to feed the masking and obtain a sufficient density of patterns. The species is on a sufficient depth related to the desired depth of etching, to feed the masking during etching.
L'espèce est intimement liée à l'oxyde mais n'est pas miscible. The species is closely related to the oxide but is not miscible.
La taille de l'espèce est limitée pour une répartition homogène de l'espèce dans le matériau et donc une structure plus homogène. The size of the species is limited for a homogeneous distribution of the species in the material and therefore a more homogeneous structure.
Le taux de l'espèce dans l'oxyde de Si est mesurable par microsonde ou XPS Naturellement après la structuration, dans l'épaisseur structurée, le taux de l'espèce peut varier, par exemple avec un profil de concentration dépendant de la hauteur du profil de structuration, et même de l'état du métal. The rate of the species in the Si oxide is measurable by microprobe or XPS Naturally after structuring, in the structured thickness, the rate of the species can vary, for example with a concentration profile depending on the height of the structuration profile, and even the state of the metal.
La classe de matériaux hybride oxyde de Si -métal judicieusement sélectionnée selon l'invention crée, spontanément un masque suffisamment dense, homogène, et autoentretenu pendant la gravure ionique réactive, ce qui donnant accès à l'une ou plusieurs caractéristiques suivantes (sans masque): The class of Si-metal oxide hybrid materials judiciously selected according to the invention spontaneously creates a mask that is sufficiently dense, homogeneous, and self-sustaining during reactive ion etching, giving access to one or more of the following characteristics (without a mask). :
- et à une homogénéité de structuration, c'est-à-dire une hauteur moyenne H, une forme moyenne, une densité moyenne semblable sur toute la surface abrasée, and to homogeneity of structuring, that is to say an average height H, a mean shape, a similar average density over the abraded surface,
- à des motifs en 2D, en relief, relief généralement de bords arrondis (circulaire), par exemple en forme de cônes ou de bosses, dimension latérale ou largeur moyenne W submicronique, éventuellement sensiblement symétrique, donc avec une dimension latérale moyenne « maximale » ou longueur L submicronique et proche ou sensiblement égale à la largeur (largeur W = longueur L environ ou au moins W supérieure ou égale à 0,7L, - 2D patterns in relief, relief generally rounded edges (circular), for example in the form of cones or bumps, lateral dimension or average W width submicron, possibly substantially symmetrical, so with a mean dimension "maximum" or length L sub-micron and close to or substantially equal to the width (width W = length L approximately or at least W greater than or equal to 0.7L,
- à des motifs isotropes, c'est-à-dire sans direction(s) privilégiée(s) d'orientation, typiquement le cas en incidence normale ou proche de la normale, - isotropic patterns, that is to say without direction (s) privileged (s) orientation, typically the case in normal incidence or close to normal,
- à un réseau de motifs dense, c'est-à-dire, avec un rapport espacement moyen D sur largeur W inférieure à 10) inférieur ou égal à 5, voire inférieur ou égal à 2, ceci sur une échelle de 1 cm2 voire 100 cm2 voire 1 m2, a dense network of patterns, that is to say, with a ratio of the average spacing D over width W of less than 10 to less than or equal to 5, or even less than or equal to 2, on a scale of 1 cm 2 even 100 cm 2 or even 1 m 2 ,
- à une hauteur de motif H importante, et rapidement. - at a high H pattern height, and quickly.
Pour chaque motif, la hauteur prise en compte est la hauteur maximale, la largeur est mesurée au niveau de la base. L'espacement D est la distance moyenne entre les centres de 2 motifs adjacents. For each pattern, the height taken into account is the maximum height, the width is measured at the base. The spacing D is the average distance between the centers of 2 adjacent patterns.
Les distances H, W, D peuvent être mesurées par AFM, et/ou microscopie électronique à balayage MEB. Les moyennes sont par exemple obtenues sur au moins 50 motifs. The distances H, W, D can be measured by AFM, and / or SEM scanning electron microscopy. The averages are for example obtained on at least 50 patterns.
Le matériau structuré comporte un ensemble de motifs généralement :
- de hauteur moyenne H supérieure à 5 nm, voir supérieure ou égale à 30 voire 50 nm, The structured material has a set of patterns generally: - average height H greater than 5 nm, see greater than or equal to 30 or even 50 nm,
- de largeur moyenne W, pouvant être inférieure à 300 nm pour les applications en optique notamment, encore plus préférentiellement inférieure à 200 nm, - d'espacement moyen D, inférieur à 300 nm, et encore plus préférentiellement inférieur à 200 nm. of average width W, which may be less than 300 nm for applications in optics in particular, even more preferably less than 200 nm, of average spacing D, of less than 300 nm, and even more preferentially of less than 200 nm.
Le rapport de forme (H/W) peut être supérieur à 3. The aspect ratio (H / W) may be greater than 3.
La densité c'est-à-dire D/W peut dépendre de la hauteur. The density, that is D / W, can depend on the height.
De préférence la largeur W est inférieure ou égal à 5D, notamment inférieure à D. Preferably the width W is less than or equal to 5D, in particular less than D.
L'écart type moyen de la hauteur H, de la largeur W, peut être inférieur à 30% (par exemple à haute température), voire inférieur ou égal à 10%, même inférieur ou égal à 5%. The average standard deviation of the height H, of the width W, may be less than 30% (for example at high temperature), or even less than or equal to 10%, even less than or equal to 5%.
L'écart type moyen de l'espacement D, peut être inférieur à 50% (par exemple à haute température) voire inférieur à 30%, même inférieur ou égal a 10%. The average standard deviation of the spacing D may be less than 50% (for example at high temperature) or even less than 30%, even less than or equal to 10%.
Le matériau hybride peut être qualifié de métastable. La définition connue de la métastabilité est la capacité pour un matériau d'être stable cinétiquement mais pas thermodynamiquement. La transformation menant à l'état stable est lente, voire nulle. Si on représente un système physico-chimique par son énergie potentielle, un état métastable sera caractérisé par un état qui correspond à un minimum local d'énergie potentielle. Pour que le système puisse atteindre l'état du minimum d'énergie global correspondant à l'état d'équilibre thermodynamique, il faut lui fournir une quantité d'énergie appelée énergie d'activation Ea. The hybrid material may be termed metastable. The known definition of metastability is the ability for a material to be kinetically stable but not thermodynamically stable. The transformation leading to the stable state is slow or even zero. If a physico-chemical system is represented by its potential energy, a metastable state will be characterized by a state that corresponds to a local minimum of potential energy. In order for the system to reach the state of the global energy minimum corresponding to the state of thermodynamic equilibrium, it must be supplied with a quantity of energy called activation energy Ea.
Pour un hybride donné, l'énergie d'activation peut dépendre du procédé de fabrication. For a given hybrid, the activation energy may depend on the manufacturing process.
La structuration est induite par la métastabilité intrinsèque du matériau et la gravure sélective de la silice. Cette métastabilité est contrôlée par la sélection de l'espèce mobile. The structuring is induced by the intrinsic metastability of the material and the selective etching of the silica. This metastability is controlled by the selection of the mobile species.
Le matériau hybride peut être constitué essentiellement de matière minérale. Le matériau hybride peut comprendre au moins 70% en molaire de la somme de l'oxyde et dudit métal, voire 90 % en molaire ou même 95 %. The hybrid material may consist essentially of mineral material. The hybrid material may comprise at least 70 mol% of the sum of the oxide and of said metal, or even 90 molar% or even 95%.
Le matériau hybride peut contenir d'autres éléments « neutres » pour la gravure ionique réactive (notamment à moins de 30%), de préférence moins de 10%, 5%. The hybrid material may contain other "neutral" elements for reactive ion etching (especially less than 30%), preferably less than 10%, 5%.
Le procédé de structuration selon l'invention peut être aisément automatisé et associé à d'autres transformations du produit. Le procédé simplifie aussi la chaîne de production. Le procédé convient pour la fabrication de produits à grand volume et/ou à grande échelle, notamment de produits verriers pour l'électronique, le bâtiment ou l'automobile, notamment des vitrages. Le procédé de structuration selon l'invention
permet en outre d'atteindre des grandeurs caractéristiques de motifs toujours plus petites sur des surfaces de plus en plus grandes, avec une tolérance sur les défauts de texturation acceptable c'est-à-dire ne nuisant pas aux performances recherchées. The structuring method according to the invention can be easily automated and associated with other transformations of the product. The process also simplifies the production chain. The process is suitable for the manufacture of large volume and / or large scale products, especially glass products for electronics, building or automotive, including glazing. The structuring method according to the invention Furthermore, it makes it possible to achieve characteristic magnitudes of ever smaller patterns on larger and larger surfaces, with tolerance to acceptable texturing defects, that is to say, not detrimental to the desired performances.
Le plasma peut fournir instantanément l'énergie suffisante pour la structuration (dépassant l'énergie d'activation.) Plasma can instantly provide sufficient energy for structuring (exceeding activation energy.)
Le procédé d'gravure crée en outre naturellement une chauffe de l'oxyde qui peut être suffisant seul pour apporter l'énergie d'activation ou alternativement nécessite un chauffage additionnel comme déjà indiqué The etching process further naturally creates a heating of the oxide which may be sufficient alone to provide the activation energy or alternatively requires additional heating as already indicated
La température atteinte au niveau de la surface est variable en fonction du matériau hybride, des conditions de la structuration. La température de référence est la température à l'arrière du matériau (coté opposé à la surface abrasée) The temperature reached at the surface is variable depending on the hybrid material, the conditions of the structuring. The reference temperature is the temperature at the back of the material (opposite to the abraded surface)
Plus largement, la température peut jouer aussi un rôle sur la structuration du matériau hybride selon l'invention. More broadly, the temperature can also play a role on the structuring of the hybrid material according to the invention.
Par ailleurs, pour initier ou modifier la structuration (modification du motif et/ou accélération), par exemple augmenter la hauteur des reliefs (ou plots) le rapport d'aspect ou diminuer la densité, on chauffe le matériau à une température supérieure à 50°C, voire supérieure à égale à 70°C, de préférence supérieure ou égale à 100 voire à 120°C, notamment allant de 150°C à 300°C avant la gravure et/ou pendant (tout ou partie de) la gravure. Moreover, to initiate or modify the structuring (modification of the pattern and / or acceleration), for example increasing the height of the reliefs (or pads) the aspect ratio or decrease the density, the material is heated to a temperature greater than 50 ° C or even greater than equal to 70 ° C, preferably greater than or equal to 100 or even 120 ° C, in particular ranging from 150 ° C to 300 ° C before etching and / or during (all or part of) etching .
II y a compétition entre ségrégation et relaxation pendant la gravure ionique réactive. En chauffant pendant la gravure, de préférence à une température contrôlée donnée on renforce de manière surprenante la ségrégation plutôt que la relaxation et favorise donc la structuration. There is competition between segregation and relaxation during reactive ion etching. By heating during etching, preferably at a given controlled temperature, segregation rather than relaxation is surprisingly enhanced and thus promotes structuring.
Dans une configuration avec des reliefs, en élevant la température, l'espèce forme de plus gros agrégats (sur les sommets des reliefs) qui sont plus espacées donc notamment on augmente la hauteur de reliefs et on augmente de l'espacement entre relief. In a configuration with reliefs, by raising the temperature, the species forms larger aggregates (on the summits of the reliefs) which are more spaced so in particular one increases the height of reliefs and one increases the spacing between relief.
On peut en outre limiter la température de chauffe/l'apport en énergie (pour des raisons de cout énergétique et/ou de tenue du matériau ou de(s) matériau(x) associé(s), par exemple tenue thermique limité d'un substrat organique porteur du matériau hybride en couche). It is also possible to limit the heating temperature / energy input (for reasons of energetic cost and / or resistance of the material or associated material (s), for example limited thermal resistance of an organic substrate carrying the hybrid material in a layer).
Naturellement on peut cumuler chauffage, puissance de plasma pour obtenir une grande variété de couple largeur/hauteur/densité. Naturally one can combine heating, plasma power to obtain a wide variety of torque width / height / density.
De par son efficacité, la durée de gravure peut être inférieure à égale à 15min, voire même inférieure à égale à 15 min. Because of its efficiency, the etching time can be less than equal to 15min, or even less than equal to 15 min.
On réalise la gravure sous vide. Il peut s'agir par exemple d'un bâti de dépôt de couches minces.
Avant sa structuration selon l'invention, la surface n'est pas forcément lisse et peut présenter déjà une forme de structuration. The etching is carried out under vacuum. It may be for example a thin film deposition frame. Before its structuring according to the invention, the surface is not necessarily smooth and may already have a form of structuring.
Dans le matériau hybride structurable (ou dans l'épaisseur sous jacente à la surface structurée), l'espèce peut être sous forme éventuellement ionique (donc oxydé) ou non, peut être diluée (isolée dans le matériau) et/ou encore sous forme d'agrégat préférentiellement de forme (sensiblement) sphérique. In the hybrid structural material (or in the thickness underlying the structured surface), the species may be in optionally ionic form (thus oxidized) or not, may be diluted (isolated in the material) and / or in the form Aggregate preferably of (substantially) spherical shape.
Cela dépend de la méthode de fabrication du matériau hybride structurable, de son type d'incorporation en particulier. This depends on the method of manufacture of the hybrid structural material, its type of incorporation in particular.
L'incorporation de l'espèce peut être de l'implantation ionique (par bombardement ionique), par échange ionique, ou par incorporation de particules ou croissance in situ (à partir de sels métalliques etc), comme détaillé ultérieurement. The incorporation of the species may be ion implantation (by ion bombardment), ion exchange, or incorporation of particles or growth in situ (from metal salts, etc.), as detailed later.
L'espèce est de préférence choisie par l'une au moins des espèces, notamment métal, suivantes : The species is preferably chosen from at least one of the following species, in particular:
- l'argent Ag notamment pour une fonction optique (absorption induite à la frontière UV/visible) et/ou de catalyse, et/ou antibactérienne, Ag silver, in particular for an optical function (absorption induced at the UV / visible boundary) and / or for catalysis, and / or antibacterial,
- le cuivre Cu notamment pour une fonction optique, copper Cu especially for an optical function,
- l'or Au pour un greffage de molécules biologiques, pour des capteurs, pour l'optique (non linéaire), et/ou antibactérienne Au gold for a grafting of biological molecules, for sensors, for optics (non-linear), and / or antibacterial
- le cobalt Co pour une fonction magnétique, cobalt Co for a magnetic function,
- le fer Fe pour une fonction magnétique, et/ou de catalyse, iron Fe for a magnetic function, and / or catalysis,
- le platine Pt pour une fonction de catalyse, platinum Pt for a catalysis function,
- le nickel Ni pour une fonction magnétique, et/ou de catalyse, nickel Ni for a magnetic function, and / or catalysis,
- l'étain Sn pour des fonctions électriques, - Tin Sn for electrical functions,
- voire le gallium Ga pour une fonction en imagerie et sa grande diffusion comme l'antimoine Sb, l'indium In. - even gallium Ga for a function in imaging and its wide distribution as antimony Sb, indium In.
On peut écarter de préférence le plomb Pb, le molybdène Mo pour des raisons environnementales. Lead Pb, Mo molybdenum may be omitted for environmental reasons.
On peut avoir plusieurs métaux capables de former un agrégat pour une fonctionnalité donné, Co-Pt pour une mémoire magnétique par exemple. One can have several metals capable of forming an aggregate for a given functionality, Co-Pt for a magnetic memory for example.
D'autres métaux de transition comme le Ti, Nb, Cr, Cd, Zr (en particulier dans la silice), Mn sont envisageables. Other transition metals such as Ti, Nb, Cr, Cd, Zr (especially in silica), Mn are conceivable.
Pour une structuration plus efficace, la charge effective sur l'espèce est nulle ou inférieure à 0,5 (donnée connue par EELS) pour permettre à l'espèce de s'agréger. For more efficient structuring, the effective charge on the species is zero or less than 0.5 (known by EELS) to allow the species to aggregate.
Pour la silice notamment, on préfère écarter de préférence l'aluminium Al ou le bore B car il s'intègre au réseau de silice et ne va pas s'agréger facilement. For silica in particular, aluminum Al or boron B is preferably preferred since it integrates with the silica network and will not be easily aggregated.
On préfère tout particulièrement des métaux de transition voire certains semi- métaux à des alcalins ou alcalinos terreux qui ont une vitesse de gravure trop
importante. Ainsi, pour le verre, on peut indiquer Li et Na ne conviennent pas car ils s'éjectent et ne s'agrègent pas (assez vite). Transition metals or even some semi-metals are particularly preferred to earth alkalis or alkaline earths which have an etching rate too high. important. Thus, for glass, we can indicate Li and Na are not suitable because they eject and do not aggregate (fast enough).
Les oxydes peuvent être en outre (suffisamment) transparents dans le visible et voire dans une gamme élargie aux IR proches ou lointains voire UV proche en fonction des applications visées. The oxides can be further (sufficiently) transparent in the visible and even in a wider range to near or far IR or near UV depending on the intended applications.
On peut avoir un oxyde mixte l'espèce mobile ne s'agrège pas (sous des conditions normales de température et pression), mais possède encore suffisamment de mobilité sous gravure ionique réactive pour former les structures The mobile species may not be aggregated (under normal conditions of temperature and pressure), but still has sufficient mobility under reactive ion etching to form the structures.
L'oxyde ajouté à l'oxyde de SI est de préférence choisi par l'un au moins des oxydes suivants : alumine, zircone, oxyde de titane, oxyde de cérium, oxyde de magnésium, notamment un oxyde mixte d'aluminium et de silicium, de zirconium et de silicium, de titane et de silicium et de préférence un verre. The oxide added to the oxide of Si is preferably chosen from at least one of the following oxides: alumina, zirconia, titanium oxide, cerium oxide, magnesium oxide, in particular a mixed oxide of aluminum and silicon , zirconium and silicon, titanium and silicon and preferably a glass.
Il existe plusieurs matériaux hybrides selon l'invention. There are several hybrid materials according to the invention.
Le matériau hybride peut être d'abord un verre, notamment silicocalcique, échangé ioniquement, avec de préférence l'un au moins desdits espèces, ioniques au moment de l'échange, suivantes : argent, cuivre. The hybrid material may be first a glass, in particular silicocalcic, ionically exchanged, preferably with at least one of said species, ionic at the time of exchange, the following: silver, copper.
La profondeur d'échange est typiquement de l'ordre du micron ou jusqu'à plusieurs dizaines de micromètres de profondeur. La répartition du métal échangé est donc quasi homogène dans la partie abrasée du matériau (< 1 μηι). The exchange depth is typically of the order of one micron or up to several tens of micrometers in depth. The distribution of the metal exchanged is therefore almost homogeneous in the abraded part of the material (<1 μηι).
L'échange ionique est la capacité que présentent certains ions du verre, en particulier les cations tels que les ions alcalins, de pouvoir s'échanger avec d'autres ions aux propriétés différentes. Ion exchange is the ability of certain glass ions, particularly cations such as alkali ions, to be able to exchange with other ions with different properties.
L'échange ionique peut être l'échange de certains ions du verre par des ions choisis parmi, en combinaison ou non, le baryum, le césium, le thallium et de préférence l'argent, le cuivre. The ion exchange may be the exchange of certain ions of the glass by ions selected from, in combination or not, barium, cesium, thallium and preferably silver, copper.
L'argent est très mobile dans la matrice et a une forte tendance à s'agréger Le taux d'ions échangés du matériau hybride est mesurable par microsonde avant et après structuration. Silver is very mobile in the matrix and has a strong tendency to aggregate The ion exchange rate of the hybrid material is measurable by microprobe before and after structuring.
L'échange ionique est obtenu par des techniques connues. On place la surface du substrat verrier à traiter dans un bain de sels fondus des ions d'échange, par exemple du nitrate d'argent (AgN03), à une température élevée entre 200 et 550°C, et pendant une durée suffisante correspondant à la profondeur d'échange souhaitée. Ion exchange is obtained by known techniques. The surface of the glass substrate to be treated in a bath of molten salts of the exchange ions, for example silver nitrate (AgNO 3 ), is placed at a high temperature between 200 and 550 ° C. and for a correspondingly long period of time. at the desired exchange depth.
On peut avantageusement soumettre concomitamment le verre en contact du bain à un champ électrique qui est fonction principalement de la conductivité du verre et de son épaisseur, et varie de préférence entre 10 et 100 V. Dans ce cas, le verre peut ensuite subir un autre traitement thermique, avantageusement à une température comprise entre la température d'échange et la température de transition vitreuse du verre,
afin de diffuser les ions échangés dans une direction normale à la face du verre pourvue de l'électrode, de manière à obtenir un gradient d'indice à profil linéaire. Concurrently, the glass in contact with the bath can advantageously be subjected to an electric field which is mainly a function of the conductivity of the glass and its thickness, and preferably varies between 10 and 100 V. In this case, the glass can then undergo another heat treatment, advantageously at a temperature between the exchange temperature and the glass transition temperature of the glass, in order to diffuse the ions exchanged in a direction normal to the face of the glass provided with the electrode, so as to obtain a linear profile index gradient.
Le verre choisi peut être extraclair, On peut se référer à la demande WO04/025334 pour la composition d'un verre extraclair. On peut choisir en particulier un verre silicosodocalcique avec moins de 0,05% de Fe III ou de Fe203. On peut choisir par exemple le verre Diamant de Saint-Gobain, le verre Albarino de Saint-Gobain (texturé ou lisse), le verre Optiwhite de Pilkington, le verre B270 de Schott. The glass chosen may be extraclear. Reference may be made to WO04 / 025334 for the composition of an extraclear glass. In particular, it is possible to choose a silicosodocalcic glass with less than 0.05% Fe III or Fe 2 O 3 . For example, Saint-Gobain's Diamant glass, Saint-Gobain's Albarino glass (textured or smooth), Pilkington's Optiwhite glass, and Schott's B270 glass can be chosen.
L'échange ionique permet ainsi de traiter aisément de grandes surfaces, d'être reproductible industriellement. Il permet d'agir directement et de manière simple sur le verre sans avoir besoin de procéder à des étapes intermédiaires et/ou complémentaires telles que de dépôt de couches, de gravure. Ion exchange thus makes it possible to easily treat large areas, to be reproducible industrially. It allows to act directly and in a simple manner on the glass without the need to proceed to intermediate and / or complementary steps such as deposition of layers, etching.
Par exemple on emploie de l'argent. La profondeur de diffusion des ions argent Ag+ dans le verre en remplacement d'ions sodium Na+ est fonction du temps durant lequel le substrat est laissé dans le bain. For example, money is used. The diffusion depth of the Ag + silver ions in the glass as a replacement for Na + sodium ions is a function of the time during which the substrate is left in the bath.
En variante du bain d'AgN03, il peut être déposé une couche d'argent métallique.As a variant of the AgNO 3 bath, a layer of metallic silver may be deposited.
Celle-ci est déposée par magnétron, CVD, jet d'encre ou sérigraphie. Une couche formant électrode est par ailleurs déposée sur la face opposée. Le champ électrique est ensuite appliqué entre la couche d'argent et la couche métallique. Après l'échange, on enlève par polissage ou attache chimique la couche formant électrode. It is deposited by magnetron, CVD, inkjet or silkscreen. An electrode layer is also deposited on the opposite side. The electric field is then applied between the silver layer and the metal layer. After the exchange, the electrode layer is removed by polishing or chemical bonding.
Le champ électrique appliqué entre la couche métallique ou le bain, et l'électrode, engendre donc l'échange ionique. L'échange ionique est effectué à une température comprise entre 250 et 350°C. La profondeur d'échange est fonction de l'intensité du champ, du temps durant lequel le substrat est soumis à ce champ et de la température à laquelle est réalisé l'échange. Le champ est compris entre 10 et 100 V. The electric field applied between the metal layer or the bath, and the electrode, therefore generates the ion exchange. The ion exchange is carried out at a temperature between 250 and 350 ° C. The exchange depth is a function of the intensity of the field, the time during which the substrate is subjected to this field and the temperature at which the exchange is carried out. The field is between 10 and 100 V.
Par exemple on choisit de réaliser un tel échange ionique avec un verre de préférence extraclair, de 2 mm, à une température de 300°C, avec une durée de 10 h sous un champ de 10 V/mm. For example, it is chosen to carry out such an ionic exchange with a glass preferably extraclear, of 2 mm, at a temperature of 300 ° C., with a duration of 10 h under a field of 10 V / mm.
Pour obtenir des nanoparticules d'argent après échange ionique dans le verre, un verre sodocalcique usuel tel le verre Planilux de Saint-Gobain pet être utilisé. La taille et la profondeur de pénétration de l'argent peuvent être modifiées en changeant les conditions expérimentales : augmenter le temps et la température de l'échange donne des particules plus grandes sur une plus grande profondeur et donc une coloration jaune plus marquée. L'ajout d'un champ électrique pendant l'échange permet d'augmenter la profondeur de pénétration sans augmenter la taille des particules. Ainsi la profondeur de pénétration peut être ajustée pour qu'elle corresponde à la profondeur de la gravure si bien que la coloration jaune disparait à la fin de la gravure ou être légèrement supérieure
de quelques μηι si bien que la coloration jaune est plus faible et donc optiquement acceptable à la fin de la gravure. To obtain nanoparticles of silver after ion exchange in the glass, a usual soda-lime glass such as Planilux glass from Saint-Gobain can be used. The size and depth of penetration of silver can be modified by changing the experimental conditions: increasing the time and temperature of the exchange gives larger particles to a greater depth and thus a more pronounced yellow coloration. The addition of an electric field during the exchange makes it possible to increase the depth of penetration without increasing the size of the particles. Thus the depth of penetration can be adjusted to match the depth of the engraving so that the yellow color disappears at the end of the etching or be slightly higher a few μηι so that the yellow color is lower and therefore optically acceptable at the end of the etching.
Comme exemple de verre échangé au cuivre, on peut citer la publication de Dong et autres intitulée « ultrafast dynamics of copper nanoparticles embedded in sodalime silicate glass fabricated by ion exchange » Thin Solid Films 517 (2009) pages 6046-6049. As an example of copper-exchanged glass, mention may be made of the publication by Dong et al. Titled "Ultrafast Dynamics of Copper Nanoparticles Embedded in Sodium Thyline Glass Fabricated by Thin Exchange" Thin Solid Films 517 (2009) 6046-6049.
Le verre échangé structuré peut être monolithique, feuilleté, bicomposant. Après la structuration, le verre échangé structuré peut aussi subir diverses transformations verrières : trempe, façonnage, feuilletage etc. The structured exchanged glass can be monolithic, laminated, two-component. After structuring, the structured exchanged glass can also undergo various glass transformations: tempering, shaping, laminating, etc.
Le matériau hybride peut être massique ou en couche rapporté sur tout substrat, épais ou mince, plan ou courbe, opaque ou transparent, minéral ou organique. La couche en le matériau hybride structurable peut être rapportée par collage etc .. ou, de préférence, être déposée sur un substrat notamment verrier. Cette couche peut faire partie d'un empilement de couches (minces) sur le substrat, notamment verrier. The hybrid material may be in bulk or as an added layer on any substrate, thick or thin, planar or curved, opaque or transparent, mineral or organic. The layer of the hybrid structural material may be reported by gluing etc. or, preferably, be deposited on a particular glass substrate. This layer can be part of a stack of layers (thin) on the substrate, including glass.
Cette couche en le matériau hybride structurable peut être de préférence être transparente, avoir un indice optique par exemple supérieur à celui d'un verre (typiquement autour 1 ,5). This layer of the hybrid structural material may preferably be transparent, have an optical index for example greater than that of a glass (typically around 1, 5).
La couche en le matériau hybride structurable peut être déposée par toutes techniques de dépôt connues directement sur le substrat ou sur une ou des couches (minces etc) fonctionnelles sous jacentes. The layer of the structurable hybrid material can be deposited by any known deposition techniques directly on the substrate or on one or more functional layers (thin etc.) underlying.
En particulier, on peut le déposer sur une couche (mince) fonctionnelle, par exemple une couche d'oxyde fonctionnelle telle qu'un oxyde conducteur transparent (TCO en anglais) comme ΓΙΤΟ (Indium Tin Oxide), le ZnO, un oxyde mixte ou simple à base d'étain, indium ou zinc ou une couche photocatalytique (Ti02 sous forme anatase par exemple). In particular, it may be deposited on a functional (thin) layer, for example a functional oxide layer such as a transparent conductive oxide (TCO) such as ΓΙΤΟ (Indium Tin Oxide), ZnO, a mixed oxide or simple tin-based, indium or zinc or a photocatalytic layer (Ti0 2 anatase form for example).
Cette couche du matériau hybride peut avantageusement être déposée sur une couche barrière aux alcalins (typiquement Si3N4, Si02) pour éviter la migration des ions alcalins du verre vers la couche lors des différents traitements thermiques (recuit ou trempe...). This layer of the hybrid material may advantageously be deposited on an alkali barrier layer (typically Si 3 N 4, SiO 2) to prevent the migration of the alkali ions from the glass to the layer during the various heat treatments (annealing or quenching ...).
Le substrat n'est pas forcément minéral et peut être un plastique ou un matériau hybride, pour obtenir des propriétés de flexibilité et de mise en forme inaccessible avec les substrats verriers. Dans ce cas, le système utilisé doit avoir une énergie d'activation faible, car aucun traitement thermique supérieur à 300°C et le plus souvent 200°C n'est possible. The substrate is not necessarily mineral and may be a plastic or a hybrid material, to obtain properties of flexibility and formatting inaccessible with glass substrates. In this case, the system used must have a low activation energy because no heat treatment above 300 ° C and most often 200 ° C is possible.
II est possible de prévoir une étape de dépôt de ladite couche en le matériau hybride réalisée sur une ligne de structuration.
Le matériau hybride peut être un sol gel, massique ou en couche notamment sur substrat transparent, verrier (minéral ou organique). Les sols gels présentent l'avantage de supporter des traitements thermiques même élevés (par exemple opération type (bombage) trempe) et de résister aux expositions UV. It is possible to provide a step of depositing said layer in the hybrid material produced on a structuring line. The hybrid material may be a gel sol, mass or layer especially on transparent substrate, glass (mineral or organic). Gels have the advantage of being able to withstand even high heat treatments (eg type of operation (bending) hardening) and to resist UV exposure.
Notamment il s'agit d'un oxyde de silicium obtenu par voie sol gel et incorporant ledit métal ou semi métal sous forme de (nano)particules, éventuellement précipités, notamment Ag, Cu, Au. In particular, it is a silicon oxide obtained by the sol gel route and incorporating said metal or semi-metal in the form of (nano) particles, optionally precipitated, in particular Ag, Cu, Au.
Les nanoparticules sont de préférence réparties uniformément dans le matériau massif et/ou la couche. De préférence la plus grande dimension des particules (formées ou insérées, individualisé ou en amas ; précipité) est inférieure à 25 nm et encore plus préférentiellement inférieur à 15 nm, et de rapport de forme inférieur à 3 et préférentiellement de forme sphérique. The nanoparticles are preferably evenly distributed in the bulk material and / or the layer. Preferably, the largest dimension of the particles (formed or inserted, individualized or in a cluster, precipitate) is less than 25 nm and even more preferably less than 15 nm, and a shape ratio of less than 3 and preferably of spherical shape.
Le taux de nanoparticules dans le matériau sol gel est mesurable par microsonde, XPS ou EDX. The level of nanoparticles in the sol gel material is measurable by microprobe, XPS or EDX.
La silice présente l'avantage certain d'être un oxyde transparent, l'oxyde de titane et de zircone d'être haut indice. A titre indicatif, à 600 nm, une couche en silice a typiquement un indice de réfraction de l'ordre de 1 ,45, une couche en oxyde de titane a un indice de réfraction de l'ordre de 2, une couche en zircone a un indice de réfraction de l'ordre de 2,2. Silica has the distinct advantage of being a transparent oxide, titanium oxide and zirconia to be high index. As an indication, at 600 nm, a silica layer typically has a refractive index of the order of 1.45, a titanium oxide layer has a refractive index of the order of 2, a zirconia layer. a refractive index of the order of 2.2.
La couche peut être essentiellement à base de silice notamment pour son adhésion et sa compatibilité avec un substrat verrier. The layer may be essentially silica based in particular for its adhesion and its compatibility with a glass substrate.
Le sol précurseur du matériau constitutif de la couche de silice peut être un silane ou un silicate. The precursor sol of the material constituting the silica layer may be a silane or a silicate.
Comme couche (essentiellement) inorganique, on peut choisir une couche à base de tétraéthoxysilane (TEOS), ou de silicate de lithium, sodium ou potassium par exemple déposé par « flow » coating ». As a (mainly) inorganic layer, it is possible to choose a layer based on tetraethoxysilane (TEOS), or lithium, sodium or potassium silicate, for example deposited by "flow" coating ".
La couche de silice peut ainsi être à base d'un silicate de sodium en solution aqueuse, transformée en une couche dure par l'exposition à une atmosphère de C02. The silica layer can thus be based on a sodium silicate in aqueous solution, transformed into a hard layer by exposure to a CO 2 atmosphere.
La fabrication d'un matériau massique hybride par procédé sol-gel comprend par exemple les étapes suivantes : The manufacture of a hybrid mass material by sol-gel process comprises, for example, the following steps:
- l'hydrolyse du précurseur du matériau constitutif dudit oxyde de Si, notamment un composé hydrolysable tel qu'un halogénure ou un alcoxyde, dans un solvant notamment aqueux et/ou alcoolique puis, le mûrissement du sol, the hydrolysis of the precursor of the material constituting said Si oxide, especially a hydrolysable compound such as a halide or an alkoxide, in a particularly aqueous and / or alcoholic solvent, and then, the ripening of the soil,
- le mélange d'une suspension colloïdale des particules desdits métaux dans un solvant notamment aqueux et/ou alcoolique, et/ou de sel dudit métal pour la croissance in situ des particules desdits métaux, ajout qui peut avoir lieu au début de l'hydrolyse, ou après un mûrissement suffisant pour éviter une trop
grande cinétique, - Mixing a colloidal suspension of the particles of said metals in a particular aqueous and / or alcoholic solvent, and / or salt of said metal for the in situ growth of the particles of said metals, which addition can take place at the beginning of the hydrolysis , or after a sufficient ripening to avoid too much great kinetics,
- la condensation du précurseur et l'élimination éventuelle du solvant pour augmenter la viscosité et obtenir un gel solide. the condensation of the precursor and the possible elimination of the solvent to increase the viscosity and to obtain a solid gel.
La fabrication d'une couche de matériau hybride par procédé sol-gel comprend par exemple les étapes suivantes : The manufacture of a layer of hybrid material by sol-gel process comprises for example the following steps:
- l'hydrolyse du précurseur du matériau constitutif dudit oxyde de Si, notamment un composé hydrolysable tel qu'un halogénure ou un alcoxyde, dans un solvant notamment aqueux et/ou alcoolique puis, le mûrissement du sol, the hydrolysis of the precursor of the material constituting said Si oxide, especially a hydrolysable compound such as a halide or an alkoxide, in a particularly aqueous and / or alcoholic solvent, and then, the ripening of the soil,
- le mélange d'une suspension colloïdale des particules desdits métaux dans un solvant notamment aqueux et/ou alcoolique, et/ou de sel dudit métal pour la croissance in situ des particules desdits métaux, ajout qui peut avoir lieu au début de l'hydrolyse, ou après un mûrissement suffisant pour éviter une trop grande cinétique, - Mixing a colloidal suspension of the particles of said metals in a particular aqueous and / or alcoholic solvent, and / or salt of said metal for the in situ growth of the particles of said metals, which addition can take place at the beginning of the hydrolysis , or after sufficient ripening to avoid excessive kinetics,
- le dépôt en couche avec évaporation du solvant, par exemple par spin- coating, flow coating, layer deposition with evaporation of the solvent, for example by spin-coating, flow coating,
- un traitement thermique pour induire la condensation du précurseur et l'élimination éventuelle du solvant. a heat treatment to induce the condensation of the precursor and the possible elimination of the solvent.
Le choix de la suspension colloïdale permet d'ajuster si nécessaire la taille des particules insérées. Comme on redisperse dans le sol on veille à contrôler la compatibilité de la suspension avec le sol pour prévenir l'agrégation des particules. L'ajout du sel du dit métal est plus simple et présentée plus souvent dans la littérature. The choice of the colloidal suspension makes it possible to adjust, if necessary, the size of the particles inserted. As it is redispersed in the soil, care is taken to check the compatibility of the suspension with the soil to prevent aggregation of the particles. The addition of the salt of the said metal is simpler and presented more often in the literature.
Comme solvant, on préfère l'eau ou des alcools de faible masse molaire ayant un point d'ébullition faible (typiquement inférieur à 100°C) pour autoriser la bonne dissolution du sel métallique. As the solvent, water or low molecular weight alcohols having a low boiling point (typically less than 100 ° C.) are preferred to allow the good dissolution of the metal salt.
La quantité de nanoparticules présentes dans les hybrides oxyde/métal peut être simplement contrôlée par les conditions de synthèse, et augmente avec la quantité de métal introduite dans le sol. The amount of nanoparticles present in the oxide / metal hybrids can be simply controlled by the synthesis conditions, and increases with the amount of metal introduced into the soil.
La formation de matériau hybride métal/oxyde métallique à partir du procédé sol- gel est décrite très largement dans la littérature. Une grande variété de couples métal/oxyde sous forme de couches ou de matériaux massifs a ainsi été synthétisée. Les particules de métal sont préférentiellement créées in situ dans la matrice par ajout d'un sel du métal correspondant et post traitement réducteur (le plus souvent traitement thermique ou alors un réducteur : H2, hydrazine...). The formation of hybrid metal / metal oxide material from the sol-gel process is very widely described in the literature. A large variety of metal / oxide pairs in the form of layers or massive materials has thus been synthesized. The metal particles are preferentially created in situ in the matrix by adding a salt of the corresponding metal and after reducing treatment (most often heat treatment or else a reducing agent: H 2 , hydrazine, etc.).
Dans la publication intitulée « Récent trends on nanocomposites based on Cu, Ag, and Au clusters : A doser look » (L. Armelao et al., Coordination chemitry Reviews, 2006, 250, page 1294), est reporté l'introduction jusqu'à 10% massique de sel d'argent et de cuivre dans des couches de silice obtenues par voie sol-gel et l'obtention contrôlée de
particules métalliques d'Ag ou de particules Cu/CuOx de quelques nm, après traitement thermique (au dessus de 500°C). L'auteur met en évidence l'importance du traitement thermique sur la taille et l'état d'oxydation des particules obtenues— L'obtention d'autres particules sous forme métallique ou d'oxyde dans une matrice de silice ont été reportés. Le plus souvent, une matrice poreuse est utilisée comme hôte pour les nanoparticules. Cependant, il est possible de s'inspirer de ces travaux pour obtenir un matériau sans porosité artificielle. Ainsi, dans la publication « Insight into the properties of Fe oxide présent in high concentrations on mesoporous silica » (Gervasini et al. Journal of Catalysis 2009, 262, 224), de la silice mésoporeuse (i.e. présentant une taille caractéristique de pore de 3-10 nm) contenant jusqu'à 17% massique de particules catalytiques de Fe203 a été obtenue. In the publication titled "Recent trends on nanocomposites based on Cu, Ag, and Au clusters: A doser look" (L. Armelao et al., Coordination chemitry Reviews, 2006, 250, page 1294), is reported the introduction up to at 10% by weight of silver and copper salt in sol-gel-obtained silica layers and the controlled obtaining of metal particles of Ag or Cu / CuO x particles of a few nm, after heat treatment (above 500 ° C). The author highlights the importance of heat treatment on the size and the oxidation state of the particles obtained. The production of other particles in metallic or oxide form in a silica matrix has been reported. Most often, a porous matrix is used as a host for the nanoparticles. However, it is possible to draw inspiration from this work to obtain a material without artificial porosity. Thus, in the publication "Insight into the properties of Fe oxide present in high concentrations on mesoporous silica" (Gervasini et al., Journal of Catalysis 2009, 262, 224), mesoporous silica (ie having a characteristic pore size of 3 -10 nm) containing up to 17% by mass of catalytic particles Fe 2 0 3 was obtained.
Des nanoparticules de Nickel ont été obtenues pour des applications optiques par traitement thermiques de nitrate de nickel imprégné dans une matrice de silice dans la publication intitulée « Optical properties of sol-gel fabricated Ni/Si02 glass nanocomposites » (Yeshchenko OA et al., Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2008, 69 ; 1615). Enfin, dans la publication intitulée « Synthesis and characterization of tin oxide nanoparticles dispersed in monolithic mesoporous silica » (YS Feng et al. Solid State Science, 2003 5, 729), des particules de Sn02 de 4-6 nm sont obtenues à 20% dans de la silice mésoporeuse après traitement thermique à 600°C. Nickel nanoparticles have been obtained for optical applications by thermal treatment of nickel nitrate impregnated in a silica matrix in the publication entitled "Optical properties of sol-gel fabricated Ni / SiO 2 glass nanocomposites" (Yeshchenko OA et al. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2008, 69; 1615). Finally, in the publication "Synthesis and characterization of tin oxide nanoparticles dispersed in monolithic mesoporous silica" (YS Feng et al., Solid State Science, 2003 5, 729), Sn0 2 particles of 4-6 nm are obtained at 20 nm. % in mesoporous silica after heat treatment at 600 ° C.
De plus cette méthode sol gel autorise des fonctionnalisations supplémentaires de la couche. La surface structurée par ledit procédé peut ensuite être fonctionnalisée pour obtenir des nouvelles propriétés de mouillage. En particulier, le brevet WO00/64829 rend compte de la création un revêtement hydrophobe et oléophobe comprenant au moins un alkoxysilane fluoré de formule générale CF3-(CF2)m-(CH2)nSi(X)3-pRp (m = 0 à 15, n = 1 à 5, p=0, 1 ,2, où X est un groupement hydrolysable et R un groupement alkyle), un système de solvants aqueux, préférentiellement composé d'un alcool et d'environ 10% d'eau, et au moins un catalyseur choisi parmi un acide et/ou une base de Bronsted. Ce composé peut être déposé sur des grandes surfaces (supérieur au m2) de produits verriers ou de couches d'oxydes métalliques fonctionnels, en particulier des produits texturés, et ce après un dépôt éventuel d'un primage à base de silice. La combinaison de ce procédé et de la texturation de surface donne des propriétés de superhydrophobie (type feuille de lotus). In addition this sol gel method allows additional functionalization of the layer. The surface structured by said process can then be functionalized to obtain new wetting properties. In particular, the patent WO00 / 64829 reports creating a hydrophobic and oleophobic coating comprising at least one fluorinated alkoxysilane of the general formula CF3 (CF2) m- (CH 2) n Si (X) 3-PrP (m = 0 to 15, n = 1 to 5, p = 0, 1, 2, where X is a hydrolyzable group and R is an alkyl group), an aqueous solvent system, preferably composed of an alcohol and approximately 10% of water and at least one catalyst selected from an acid and / or a Bronsted base. This compound can be deposited on large surfaces (greater than m 2 ) of glass products or functional metal oxide layers, in particular textured products, and this after a possible deposition of a silica-based primer. The combination of this process and surface texturing gives superhydrophobic properties (lotus leaf type).
Les méthodes de dépôt préférées pour les couches organiques sont le dip coating (dépôt par trempage), ou la pulvérisation du sol puis l'étalement des gouttes par raclage ou brossage ou encore par chauffage comme décrit notamment dans l'article intitulé « Thermowetting structuring of the organic-inorganic hybrid materials » W-S. Kim,
K-S. Kim, Y-C. Kim, B-S Bae, 2005, thin solid films, 476 (1 ), 181 -184. La méthode choisie peut aussi être un revêtement par passage à la tournette (spin-coating). The preferred deposition methods for the organic layers are dip coating (dip coating), or the spraying of the soil and the spreading of the drops by scraping or brushing or by heating as described in particular in the article entitled "Thermowetting structuring of the organic-inorganic hybrid materials »WS. Kim, KS. Kim, YC. Kim, BS Bae, 2005, Thin Solid Films, 476 (1), 181-184. The chosen method can also be a coating by spin-coating.
Naturellement on préfère un recuit à au moins 400°C, notamment au-delà de 500°C, pendant au moins 30 minutes voire 1 heure pour obtenir une condensation suffisante de l'oxyde et la diminution de l'énergie d'activation avec la formation des agrégats dudit matériau de type métal, et inférieur à 800°C notamment jusqu'à 750°C pour avoir une cinétique de réaction suffisante et ne pas endommager le substrat verrier. Naturally, annealing at at least 400 ° C., especially above 500 ° C., is preferred for at least 30 minutes or even 1 hour in order to obtain a sufficient condensation of the oxide and to reduce the activation energy with the forming aggregates of said metal-type material, and less than 800 ° C especially up to 750 ° C to have sufficient reaction kinetics and not to damage the glass substrate.
Ce recuit peut avantageusement être couplé à l'étape de trempe du verre, opération qui consiste à chauffer le verre à haute température (typiquement entre 550°C et 750°C), puis à le refroidir rapidement. This annealing may advantageously be coupled to the quenching step of the glass, which consists of heating the glass at high temperature (typically between 550 ° C. and 750 ° C.) and then cooling it rapidly.
Il existe d'autres matériaux hybrides structurables en couche. There are other hybrid materials that can be layered.
Ledit matériau hybride peut être une couche de silice déposée par voie physique en phase vapeur, typiquement par évaporation ou par pulvérisation (notamment magnétron) sur un substrat, notamment transparent, verrier, notamment par codépôt de l'espèce (dans la liste précitée), notamment cuivre, argent, ou or et l'oxyde de silice, avec une cible de l'élément d'oxyde et sous atmosphère à l'oxygène, ou avec une cible de silice. Said hybrid material may be a layer of silica deposited by the physical vapor phase, typically by evaporation or by sputtering (especially magnetron) on a substrate, in particular transparent, glass, including by codépôt of the species (in the aforementioned list), especially copper, silver, or gold and silica oxide, with a target of the oxide element and under an oxygen atmosphere, or with a silica target.
La pulvérisation sera généralement préférée à l'évaporation du fait d'une vitesse de dépôt bien supérieure pour fabriquer des couches de 100nm voire micronique plus rapidement. Ainsi, si par évaporation une vitesse de dépôt est généralement proche de 1 A min, avec un maximum de 1 A/s, les vitesses de dépôt par magnétron sont typiquement comprises entre 1A/s et plusieurs dizaines de nm/s. Spraying will generally be preferred to evaporation due to a much higher deposition rate to make 100 nm or even micron layers faster. Thus, if by evaporation a deposition rate is generally close to 1 A min, with a maximum of 1 A / s, the magnetron deposition rates are typically between 1A / s and several tens of nm / s.
Par exemple, pour le dépôt de couche mixte Si02 - cuivre, on pourra soit utiliser un codépôt à partir de cible de silicium et de cuivre, avec l'introduction d'oxygène, soit utiliser directement une cible de cuivre et une cible de silice. For example, for the deposition of mixed SiO 2 - copper layer, it would be possible either to use a codecode from silicon and copper target, with the introduction of oxygen, or to directly use a copper target and a silica target.
Le substrat peut être verrier. Au sens de l'invention on entend par substrat verrier, tant un verre minéral, (silicosodocalcique, borosilicate, vitrocéramique etc) qu'un verre organique (par exemple polymère thermoplastique tel qu'un polyuréthane ou un polycarbonate). The substrate can be glass. For the purposes of the invention, the term "glass substrate" means both an inorganic glass (silicosodocalcique, borosilicate, vitroceramic, etc.) and an organic glass (for example a thermoplastic polymer such as a polyurethane or a polycarbonate).
Au sens de l'invention on qualifie de rigide un substrat qui, dans les conditions normales de température et de pression, a un module d'au moins 60 GPa pour un élément minéral, et d'au moins 4 GPa pour un élément organique. For the purposes of the invention, a substrate which, under normal conditions of temperature and pressure, has a modulus of at least 60 GPa for a mineral element, and at least 4 GPa for an organic element, is described as rigid.
Le substrat verrier est préférentiellement transparent présentant notamment une transmission lumineuse globale d'au moins 70 à 75%. The glass substrate is preferably transparent, in particular having a global light transmission of at least 70 to 75%.
Pour entrer dans la composition du substrat verrier, on utilise de préférence un verre ayant une absorption linéique inférieure à 0,01 mm"1 dans la partie du spectre utile à l'application, généralement le spectre allant de 380 à 1200 nm.
Encore plus préférentiellement, on utilise un verre extra-clair, c'est-à-dire un verre présentant une absorption linéique inférieure à 0,008 mm"1 dans le spectre des longueurs d'ondes allant de 380 à 1200 nm. On peut choisir par exemple le verre de la marque Diamant commercialisé par Saint-Gobain Glass. In order to enter the composition of the glass substrate, a glass having a linear absorption of less than 0.01 mm -1 in the part of the spectrum useful for application, generally the spectrum ranging from 380 to 1200 nm, is preferably used. Even more preferably, an extra-clear glass is used, ie a glass having a linear absorption of less than 0.008 mm -1 in the wavelength spectrum from 380 to 1200 nm. example the glass brand Diamant marketed by Saint-Gobain Glass.
Le substrat peut être monolithique, feuilleté, bicomposant. Après la structuration, le substrat peut aussi subir diverses transformations verrières : trempe, façonnage, feuilletage etc. The substrate may be monolithic, laminated, two-component. After structuring, the substrate can also undergo various glass transformations: quenching, shaping, laminating, etc.
Le substrat verrier peut être mince, par exemple de l'ordre de 0,1 mm pour les verres minéraux ou du millimètre pour les verres organiques, ou plus épais par exemple d'épaisseur supérieure ou égale à quelques mm voire cm. The glass substrate may be thin, for example of the order of 0.1 mm for mineral glasses or millimeter for organic glasses, or thicker for example with a thickness greater than or equal to a few mm or even cm.
Une étape de dépôt d'une couche conductrice, semiconductrice et/ou hydrophobe, notamment une couche à base d'oxyde, peut succéder à la ou une première structuration. A step of depositing a conductive, semiconductive and / or hydrophobic layer, in particular an oxide-based layer, may succeed to the first structuring.
Ce dépôt est de préférence réalisé en continu. This deposit is preferably carried out continuously.
La couche est par exemple métallique, en argent ou aluminium. The layer is for example metallic, silver or aluminum.
On peut prévoir avantageusement une étape de dépôt sélectif d'une couche conductrice (notamment métallique, à base d'oxydes) sur la surface structurée, sur ou entre des motifs par exemple diélectriques ou moins conducteurs. Advantageously, a step of selective deposition of a conductive layer (in particular metal, based on oxides) on the structured surface, on or between patterns, for example dielectric or less conductive, can be advantageously provided.
La couche par exemple métallique, notamment argent ou nickel, peut être déposée par voie électrolytique. Dans ce dernier cas, pour former une électrode pour l'électrolyse, la couche structurée peut avantageusement être une couche (semi-) conductrice ou une couche diélectrique de type sol-gel chargée de particules métalliques ou encore une multicouche avec une couche supérieure de germination (seed layer en anglais) conductrice. The layer, for example metal, in particular silver or nickel, can be deposited electrolytically. In the latter case, to form an electrode for electrolysis, the structured layer may advantageously be a layer (semiconductor) or a sol-gel type dielectric layer loaded with metal particles or a multilayer with a top layer of germination (seed layer in English) conductive.
Le potentiel chimique du mélange électrolytique est adapté pour rendre préférentiel le dépôt dans les zones à forte courbure. The chemical potential of the electrolytic mixture is adapted to make the deposit preferential in areas of high curvature.
Après la structuration de la couche, on peut envisager un transfert du réseau de motif au substrat verrier et/ou à une couche sous jacente, notamment par gravure. After the structuring of the layer, it is possible to envisage a transfer of the pattern network to the glass substrate and / or to an underlying layer, in particular by etching.
La couche structurée peut être une couche sacrificielle éventuellement partiellement ou totalement éliminée. The structured layer may be a sacrificial layer optionally partially or completely eliminated.
Dans un mode de réalisation, on peut réaliser une structuration de la surface par domaines de structuration, domaines de structuration ayant des motifs distincts (par leur forme, par l'une de leurs dimensions caractéristiques, notamment l'espacement) et/ou des orientations de motifs distinctes. In one embodiment, it is possible to structure the surface by structuring domains, structuring domains having distinct patterns (by their shape, by one of their characteristic dimensions, especially the spacing) and / or orientations. distinct patterns.
Lors de la fabrication du matériau on peut différencier le taux de l'espèce mobile et ou le nombre des espèces mobiles d'une zone à l'autre. During the manufacture of the material one can differentiate the rate of the mobile species and the number of mobile species from one area to another.
On peut masquer certaines zones d'un oxyde massif ou en couche mince pour
ne pas incorporer l'espèce mobile ou modifier localement les conditions d'incorporation.Some areas of massive or thin layer oxide can be masked do not incorporate the mobile species or modify the incorporation conditions locally.
Naturellement la couche structurée peut également servir de masque pour une sous couche ou le substrat adjacent Naturally the structured layer can also be used as a mask for an underlayer or the adjacent substrate
L'invention couvre aussi un produit avec une structuration de surface c'est-à-dire avec un ensemble d'irrégularités ou motifs avec une hauteur submicronique et au moins une dimension caractéristique latérale (sub)micronique, matériau solide hybride comprenant The invention also covers a product with surface structuring, that is to say with a set of irregularities or patterns with a submicron height and at least one (sub) micronic lateral characteristic dimension, a hybrid solid material comprising
- un oxyde simple ou mixte de Si, le pourcentage molaire en oxyde de Si dans le matériau étant au moins de 40%, notamment entre 40 et 99%, - et au moins une espèce de nature distincte du ou des éléments de l'oxyde et qui est notamment un métal, a single or mixed oxide of Si, the molar percentage of Si oxide in the material being at least 40%, especially between 40 and 99%, and at least one species of nature distinct from the element or elements of the oxide; and which is in particular a metal,
- le pourcentage molaire en espèce(s) dans le matériau allant de 1 % molaire jusqu'à 50% et inférieur au pourcentage dudit oxyde de Si, de plus grande dimension caractéristique maximum inférieure à 50 nm susceptible d'être obtenu par le procédé tel que décrit précédemment. the molar percentage of species (s) in the material ranging from 1 mol% up to 50% and below the percentage of said Si oxide with a larger maximum characteristic dimension of less than 50 nm obtainable by the method such as as previously described.
Le produit structuré peut être destiné à une application pour l'électronique, le bâtiment ou l'automobile, voire pour une application microfluidique The structured product can be for an application for electronics, building or automotive, or even for a microfluidic application
On peut citer notamment différents produits, notamment des vitrages : There may be mentioned in particular different products, in particular glazing:
- à propriétés chimiques modifiées (« super »hydrophobie, hydrophilie), - with modified chemical properties ("super" hydrophobicity, hydrophilicity),
- optiques notamment pour systèmes d'éclairage ou de rétroéclairage d'écrans plats type LCD, notamment un moyen d'extraction de lumière pour dispositif électroluminescent, produits optiques par exemple destinés à des applications d'écrans d'affichage, d'éclairage, de signalétique, optics, in particular for LCD-type flat screen lighting or backlighting systems, in particular a light extraction means for an electroluminescent device, optical products for example intended for display screen, lighting, signage,
- pour bâtiment, notamment un vitrage de contrôle solaire et/ou thermique, La fonction et les propriétés associées à la structuration dépendent des dimensions caractéristiques H, W, D. - for building, in particular a solar and / or thermal control glazing, The function and the properties associated with the structuring depend on the characteristic dimensions H, W, D.
L'éventail des fonctionnalités optiques des produits nanostructurés est large. Le produit peut présenter l'une au moins des caractéristiques suivantes : The range of optical functionalities of nanostructured products is wide. The product may have at least one of the following characteristics:
- le motif est un relief, notamment de dimension latérale maximale moyenne, dite longueur L, submicronique, notamment avec W supérieure à 0,3L sous incidence oblique et à 0,8L sous incidence normale, le matériau étant notamment plus riche en espèce mobile dans les sommets des reliefs, et sur une épaisseur inférieure à 10 nm dite épaisseur superficielle, the pattern is a relief, in particular of maximum average lateral dimension, called length L, submicron, in particular with W greater than 0.3L under oblique incidence and 0.8L under normal incidence, the material being notably richer in mobile species in the summits of the reliefs, and on a thickness less than 10 nm, said superficial thickness,
- il s'agit d'un verre échangé à l'argent ou au cuivre, un sol gel massique ou en couche avec ladite espèce notamment argent ou cuivre et/ou or sur un substrat notamment transparent,
- le motif est défini par une hauteur H et une largeur W et une distance D entre motif adjacent, it is a glass exchanged with silver or copper, a sol gel mass or layer with said species including silver or copper and / or gold on a particularly transparent substrate, the pattern is defined by a height H and a width W and a distance D between adjacent pattern,
- la distance D étant choisie inférieure à 5 μηι en microfluidique ou pour des propriétés de mouillage, à 2 μηη pour les applications en infrarouge, à 500 nm, préférentiellement à 300 nm, encore plus préférentiellement à 200 nm pour les applications optiques voire élargie aux infrarouges (antireflet, extraction de lumière, collection de lumière pour le photovoltaïque ou la photocatalyse ...), the distance D being chosen less than 5 μηι in microfluidic or for wetting properties, at 2 μηη for infrared applications, at 500 nm, preferably at 300 nm, even more preferably at 200 nm for optical applications or even extended to infrared (antireflection, light extraction, light collection for photovoltaic or photocatalysis ...),
- la hauteur H étant choisi de préférence supérieure à 20 nm, préférentiellement supérieure à 50 nm, encore plus préférentiellement supérieure à 100 nm pour les applications optiques (visible et infrarouge), et supérieure à 70 nm, préférentiellement à 150 nm pour les propriétés de mouillage (superhydrophobe ou superhydrophile), the height H being preferably chosen to be greater than 20 nm, preferably greater than 50 nm, still more preferably greater than 100 nm for optical applications (visible and infrared), and greater than 70 nm, preferably 150 nm for the properties of wetting (superhydrophobic or superhydrophilic),
- la largeur W étant choisi supérieure à D/10, encore plus préférentiellement à D/5 et encore plus préférentiellement à D/2, the width W being chosen greater than D / 10, even more preferentially at D / 5 and even more preferentially at D / 2,
- le motif est défini par une hauteur H et une largeur W et une distance D entre motif adjacent, the pattern is defined by a height H and a width W and a distance D between adjacent pattern,
- la distance D étant choisie inférieure à 5 μηη en microfluidique ou pour des propriétés de mouillage, à 2 μηη pour les applications en infrarouge, the distance D being chosen less than 5 μηη in microfluidic or for wetting properties, at 2 μηη for infrared applications,
- la hauteur H étant choisi de préférence supérieure à 70 nm, préférentiellement à 150 nm pour les propriétés de mouillage (superhydrophobe ou superhydrophile), the height H being preferably chosen to be greater than 70 nm, preferentially at 150 nm for the wetting properties (superhydrophobic or superhydrophilic),
- la largeur W étant choisi supérieure à D/10, encore plus préférentiellement à D/5 et encore plus préférentiellement à D/2. the width W being chosen greater than D / 10, even more preferentially at D / 5 and even more preferentially at D / 2.
La surface gravée peut former un substrat pour la croissance d'une couche mince déposée sous vide, le motif est défini par une hauteur H et une largeur W et une distance D entre motif adjacent : The etched surface may form a substrate for the growth of a thin layer deposited under vacuum, the pattern is defined by a height H and a width W and a distance D between adjacent pattern:
- la distance D étant choisie inférieure à 200 nm, préférentiellement entre 200 nm et 100 nm, encore plus préférentiellement à 50 nm, the distance D being chosen less than 200 nm, preferably between 200 nm and 100 nm, even more preferably at 50 nm,
- la hauteur H étant choisi de préférence supérieure à 20 nm, préférentiellement supérieure à 50 nm, the height H being chosen preferably greater than 20 nm, preferably greater than 50 nm,
- la largeur W étant choisi supérieure à D/10, encore plus préférentiellement à D/5 et encore plus préférentiellement à D/2. the width W being chosen greater than D / 10, even more preferentially at D / 5 and even more preferentially at D / 2.
Le relief peut être notamment ponctuel, en forme de cône. The relief can be particular punctual, cone-shaped.
Pour les motifs en relief, on peut observer aux sommets des reliefs un enrichissement en ledit métal sur une épaisseur dite épaisseur superficielle typiquement de 2 à 10 nm.
Pour les motifs en creux, on peut observer aux fonds des creux un enrichissement en ledit métal sur une épaisseur, typiquement de 2 à 10 nm. For the relief patterns, it is possible to observe at the apices of the reliefs an enrichment in said metal over a thickness called superficial thickness typically of 2 to 10 nm. For the intaglio patterns, it is possible to observe at the bottoms of the recesses an enrichment in said metal over a thickness, typically from 2 to 10 nm.
La présence des zones renforcées de métal peuvent être faites par les techniques connues microscopiques TEM, STEM et /ou par une cartographie chimique par les techniques connues microscopiques ou spectrométrique STEM, EELS, EDX. The presence of the reinforced metal zones can be made by known microscopic TEM, STEM techniques and / or by chemical mapping by known microscopic or spectrometric techniques STEM, EELS, EDX.
Les deux surfaces principales dudit matériau peuvent être structurées avec des motifs similaires ou distincts, simultanément ou successivement. The two main surfaces of said material may be structured with similar or distinct patterns, simultaneously or successively.
■ La figure 1 représente les images AFM d'une surface de verre Planilux échangé à l'argent après abrasion pendant 5 minutes par plasma de SF6. ■ La figure 2 représente une image de la surface par MEB du même échantillon que la figure 1 , prises sous un angle de 45°. FIG. 1 shows the AFM images of a planilux glass surface exchanged with silver after abrasion for 5 minutes by plasma of SF6. Fig. 2 shows an image of the SEM surface of the same sample as Fig. 1 taken at an angle of 45 °.
■ La figure 3 donne deux images sur plusieurs échelles MEB à 45° des couches minces sol-gel de silice dopée à l'argent après RIE. Figure 3 gives two images at several 45 ° SEM scales of the silver-doped silica sol-gel thin layers after RIE.
■ La figure 4 montre des images SEM prises à 45° de la surface. Figure 4 shows SEM images taken at 45 ° from the surface.
EXEMPLE D'UN PREMIER VERRE ECHANGE STRUCTURE EXAMPLE OF A FIRST GLASS EXCHANGE STRUCTURE
Un premier verre d'argent de 2 mm d'épaisseur a été obtenu après échange ionique à partir d'un verre Planilux® de la société SAINT GOBAIN verre float sodo-calcique usuel. Il s'agit de procéder à l'échange ionique entre le sodium du verre et l'argent d'un bain de nitrate d'argent. A first 2 mm thick silver glass was obtained after ion exchange from a Planilux ® glass from SAINT GOBAIN soda-lime float glass. It involves the ion exchange between the sodium of the glass and the silver of a silver nitrate bath.
Dans un premier temps, le verre est plongé dans du nitrate d'argent pur à 300°C pendant 2 heures. At first, the glass is immersed in pure silver nitrate at 300 ° C for 2 hours.
Le verre obtenu présente un profil de concentration en argent de la surface jusqu'à plusieurs micromètres de profondeur. The glass obtained has a silver concentration profile of the surface up to several micrometers in depth.
On remarque qu'il présente une faible coloration jaune. Cette couleur est caractéristique des nanoparticuies d'argent. Une partie de l'argent ayant pénétré le verre est réduit et agrégé à l'état de nanoparticuies de quelques nanomètres au cours de la réaction d'échange. It is noted that it has a weak yellow color. This color is characteristic of silver nanoparticles. Part of the silver that has penetrated the glass is reduced and aggregated to the state of nanoparticles of a few nanometers during the exchange reaction.
L'argent pénètre donc à une profondeur avoisinant 4 micromètres. Le pourcentage de silice restant constant, la surface présente un profil quasi linéaire d'argent. C'est bien le The silver penetrates to a depth of around 4 micrometers. The percentage of silica remaining constant, the surface has an almost linear profile of silver. Is good the
FEUILLE RECTIFIÉE (RÈGLE 91) ISA/EP
sodium qui a été échangé avec l'argent et non le calcium, le potassium ou tout autre cation du verre. L'argent est donc présent probablement sous forme de particules sur quelques micromètres de profondeur. La surface contient environ 15% d'Ag en mol. RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA / EP sodium that has been exchanged with silver and not calcium, potassium or any other cation of glass. The silver is probably present in the form of particles a few microns deep. The surface contains about 15% Ag in mol.
La gravure réactive est réalisée dans un bâti à vide sous une pression de 0.1 mbar et un flux de 90 sccm en gaz SF6. La gravure réactive se fait grâce à la formation d'un plasma par une radiofréquence à la surface de l'échantillon de puissance 200W. La surface est gravée pendant 5 minutes. The reactive etching is carried out in a vacuum frame under a pressure of 0.1 mbar and a flow of 90 sccm SF 6 gas. The reactive etching is done by the formation of a plasma by radio frequency on the surface of the 200W power sample. The surface is etched for 5 minutes.
La figure 1 représente les images AFM d'une surface de verre Planilux échangé à l'argent après abrasion pendant 5 minutes par plasma de SF6. Les images AFM de la surface du verre d'argent montrent l'apparition d'une texturation composée de plots après abrasion. Ces plots sont denses (quasi jointifs, W proche de D) et de 60 de nanomètres de largeur et 40 nm de hauteur apparaissent après seulement 5 minutes de gravure. FIG. 1 represents the AFM images of a Planilux glass surface exchanged with silver after abrasion for 5 minutes by plasma of SF6. The AFM images of the surface of the silver glass show the appearance of a texturing composed of pads after abrasion. These pads are dense (almost contiguous, W close to D) and 60 nanometers wide and 40 nm high appear after only 5 minutes of etching.
Le plasma très sélectif de SF6 va abraser préférentiellement la silice. L'argent restant va s'agréger et protéger la surface. Il faut noter que le verre n'est pas que constitué d'argent, mais également d' Al203, CaO, MgO et Na20. Ces composés ne vont pas s'abraser aussi facilement que la silice, ce qui va entraîner une surface peu homogène. The highly selective plasma of SF 6 will preferentially abrade silica. The remaining money will aggregate and protect the surface. It should be noted that glass is not only made of silver, but also of Al 2 O 3 , CaO, MgO and Na 2 O. These compounds will not be as easily abraded as silica, which will cause a poorly homogeneous surface.
La figure 2 représente une image de la surface par MEB du même échantillon que la figure 1 , prises sous un angle de 45°. On voit que la surface est constituée de plot dense, avec la présence de grosses protubérances de hauteur d'environ 200 nm espacées de plusieurs microns sans nuisances notamment pour les applications optiques. Le fait que le verre ne soit pas constitué uniquement de silicium et de cuivre est vraisemblablement responsable de cette inhomogénéité de la surface. Figure 2 shows an SEM surface image of the same sample as Figure 1 taken at an angle of 45 °. It can be seen that the surface consists of a dense stud, with the presence of large protuberances of height of about 200 nm spaced several microns without nuisance, especially for optical applications. The fact that the glass is not made solely of silicon and copper is probably responsible for this inhomogeneity of the surface.
De telles images ont été réalisées en plusieurs endroits de la surface de l'échantillon. On a ainsi pu ainsi vérifier que la texturation observée en AFM avait bien lieu sur toute la surface exposée au faisceau de SF6. La structuration n'est donc pas liée à un effet de bord Such images have been made at several places on the surface of the sample. It was thus possible to verify that the texturing observed in AFM took place on the entire surface exposed to the SF 6 beam. The structuring is not linked to an edge effect
En résumé, Du verre Planilux® à l'argent a été abrasé. Des plots se sont formés pendant l'abrasion sur toute la surface. Les plots obtenus ont un diamètre W de 60 nm et une
hauteur moyenne H de 40 nm. A la fin de l'abrasion, la coloration jaune n'est quasiment plus visible sur l'échantillon. In summary, Planilux ® silver glass has been abraded. Plots formed during abrasion over the entire surface. The pads obtained have a diameter W of 60 nm and a average height H of 40 nm. At the end of the abrasion, the yellow color is almost no longer visible on the sample.
L'abrasion était non directionnelle. On peut obtenir une structuration plus importante et plus régulière en appliquant un champ électrique perpendiculaire à la surface qui va rendre la RIE directionnelle. Le masquage sera plus efficace, et on peut ainsi obtenir une structuration plus importante et/ou plus rapide. The abrasion was non-directional. A larger and more regular structuring can be achieved by applying an electric field perpendicular to the surface that will render the RIE directional. The masking will be more efficient, and one can thus obtain a structuring more important and / or faster.
EXEMPLES DES COUCHE SOL GEL SILICE ARGENT STRUCTUREES EXAMPLES OF STRUCTURED SILICONE SILICONE GEL LAYER
Un deuxième type d'hybride, préparé par voie sol-gel a été préparé et abrasé. A second type of hybrid prepared by sol-gel was prepared and abraded.
La voie sol-gel consiste à synthétiser un polymère inorganique, comme la silice, à température ambiante à partir de précurseurs organiques. Dans un premier temps, ce précurseur est placé en présence d'eau pour s'hydrolyser. La solution obtenue (appelée sol) peut être déposée sur différents substrats comme le verre ou le silicium. Pendant le dépôt, le solvant de la solution s'évapore jusqu'à condensation du précurseur hydrolysé en un réseau polymérique inorganique Le gel d'oxyde obtenu peut être mis en forme, notamment en couche mince, jusqu'à condensation totale du polymère. The sol-gel pathway consists of synthesizing an inorganic polymer, such as silica, at room temperature from organic precursors. In a first step, this precursor is placed in the presence of water to hydrolyze. The solution obtained (called sol) can be deposited on different substrates such as glass or silicon. During the deposition, the solvent of the solution evaporates until the hydrolysed precursor is condensed into an inorganic polymeric network. The oxide gel obtained can be shaped, in particular in a thin layer, until the polymer is completely condensed.
Les conditions de dépôt (vitesse de rotation) permettent de contrôler l'épaisseur. On peut ainsi jouer dans une très large gamme sur la taille de couche (de la dizaine de nanomètres à quelques microns). D'autres composés peuvent être ajoutés lors de l'hydrolyse comme des colorants, des dopants, des surfactants qui confèrent une porosité à la couche ou des composés organiques qui ne seront pas altérés par la synthèse car elle s'effectue à température ambiante The deposition conditions (rotation speed) make it possible to control the thickness. We can play in a very wide range on the layer size (from ten nanometers to a few microns). Other compounds may be added during the hydrolysis such as dyes, dopants, surfactants that confer porosity to the layer or organic compounds that will not be altered by the synthesis because it is carried out at room temperature
Des couches de silice de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur contenant 10% mol. d'argent ont été synthétisées par voie sol-gel Silica layers of a few hundred nanometers thick containing 10 mol%. of silver were synthesized by sol-gel
Préparation du sol de silice et d'argent : un sol de TEOS (2g, 9,6 mmol) à 10% en masse dans une solution à pH 2 de HN03 (18g) a été préparé et laissé trois heures sous agitation. Ces conditions de pH permettent une grande vitesse d'hydrolyse tout en ralentissant la condensation. Après évaporation sous pression réduite de l'éthanol formé lors de la réaction, une solution d'AgN03 a été ajoutée dans le sol (1 mL, 1 mol.L"1) pour avoir nAg= [Ag]/ ([Ag] + [Si]) tel que 10% < nAg Preparation of the silica and silver sol: a sol of TEOS (2 g, 9.6 mmol) at 10% by weight in a pH 2 solution of HNO 3 (18 g) was prepared and left stirring for three hours. These pH conditions allow a high rate of hydrolysis while slowing down the condensation. After evaporation under reduced pressure of the ethanol formed during the reaction, a solution of AgNO 3 was added to the soil (1 mL, 1 mol.L "1 ) to have n Ag = [Ag] / ([Ag ] + [Si]) such as 10% <n Ag
L'épaisseur de la couche sol-gel contenant de l'argent a été mesurée par ellipsométrie et vaut 250 ± 20nm
Déposition et post-traitements : Les sols d'argent ont été déposés par spin-coating sur le substrat (1000t/min, 100t/min/s pendant 2 min). Les échantillons obtenus ont été recuits une nuit à 200°C pour retirer le solvant restant dans la couche et amorcer la condensation du réseau de silice. Un traitement thermique à plus forte température TreCuit (700°C) a été appliqué. Pour les échantillons à l'argent pour finir la condensation et induire la formation d'agrégats d'argent. Leur traitement thermique détermine l'état d'oxydation de l'argent. Pour avoir de l'argent métallique, le recuit doit avoir lieu entre 500°C et 750°C The thickness of the sol-gel layer containing silver was measured by ellipsometry and is 250 ± 20 nm Deposition and post-treatments: The silver sols were deposited by spin-coating on the substrate (1000 rpm, 100 rpm for 2 min). The samples obtained were annealed overnight at 200 ° C. to remove the solvent remaining in the layer and initiate the condensation of the silica network. Heat treatment at higher temperature T reC uit (700 ° C) was applied. For silver samples to finish the condensation and induce the formation of silver aggregates. Their heat treatment determines the oxidation state of silver. To obtain metallic silver, the annealing must take place between 500 ° C. and 750 ° C.
La couche de silice à l'agent s'est structurée sous l'effet de la gravure. Des plots de plusieurs dizaines de nanomètres se sont formés et sont répartis sur toute la surface du matériau The silica layer with the agent was structured under the effect of etching. Plots of several tens of nanometers have been formed and are distributed over the entire surface of the material
On a vu précédemment que les couches recuites à 700°C contenaient de l'argent métallique agrégé. Ces trous peuvent donc résulter de la protection de ces nanoparticules. Néanmoins, les particules habituellement observées dans des couches sol-gel contenant de l'argent ont des tailles caractéristiques inférieures à celles des trous observés. Il doit donc y avoir ségrégation et diffusion de l'argent. We have previously seen that the layers annealed at 700 ° C contained aggregated silver metal. These holes can therefore result from the protection of these nanoparticles. Nevertheless, the particles usually observed in silver-containing sol-gel layers have characteristic sizes smaller than the observed holes. There must be segregation and dissemination of money.
La figure 3 donne deux images sur plusieurs échelles MEB à 45° des couches minces sol- gel de silice dopée à l'argent après RIE. Figure 3 gives two images at several 45 ° SEM scales of the silver-doped silica sol-gel thin films after RIE.
Les plots sont de taille semblable à ceux trouvés après abrasion du verre échangé à l'argent. Par contre, la surface est beaucoup plus homogène, cela est du à la présence de silice et d'argent uniquement (pureté de l'oxyde hybride). La fabrication d'échantillon par voie sol gel est donc une piste particulièrement prometteuse pour la texturation de surface transparente par RIE. EXEMPLES DES COUCHE SOL GEL SILICE CUIVRE STRUCTUREES The studs are similar in size to those found after abrasion of the silver-exchanged glass. By cons, the surface is much more homogeneous, this is due to the presence of silica and silver only (purity of the hybrid oxide). Therefore, gel sample making is a particularly promising avenue for transparent surface texturing by RIE. EXAMPLES OF STRUCTURED COPPER SILICA GEL SOLUBLE LAYER
A l'instar de l'argent nous avons réalisé des couches sol-gel de silice contenant 10% de cuivre. Like silver we have made sol-silica gel layers containing 10% copper.
Préparation du sol de silice et de cuivre : un sol de TEOS (3g, 9,6 mmol) à 15% en masse dans l'éthanol (17g) a été préparé. De l'acétate de cuivre (320 mg, 1 ,6.10"3 mol) puis la quantité stœchiométrique d'eau (1 g, 57,7.10"3mol) nécessaire à l'hydrolyse du TEOS et de l'acétate, ont été ajoutés. Après avoir ajusté le pH à 3, la solution a été laissée deux heures à reflux à 70°C. Le ratio molaire dans le sol vaut nCu= [Cu] / ([Cu] + [Si]) = 10%.
Nous avons regardé la structure en après 5 minutes d'abrasion à température ambiante. Preparation of the silica and copper sol: a sol of TEOS (3 g, 9.6 mmol) at 15% by mass in ethanol (17 g) was prepared. Copper acetate (320 mg, 1, 6.10 -3 mol) and then the stoichiometric amount of water (1 g, 57.7.10 -3 mol) necessary for the hydrolysis of TEOS and acetate were added. After adjusting the pH to 3, the solution was left at reflux for two hours at 70 ° C. The molar ratio in the soil is n Cu = [Cu] / ([Cu] + [Si]) = 10%. We looked at the structure after 5 minutes of abrasion at room temperature.
La figure 4 montre des images SEM prises à 45° de la surface. On observe l'apparition d'un très fort relief. Il y a formation de reliefs de plusieurs centaines de nm de hauteur H et de largeur W, denses (, mais de morphologie et de taille peu homogènes. La surface est toujours plus homogène que dans le cas du verre, car on a une surface constituée uniquement de silice et cuivre. L'inhomogénéité des structures est vraisemblablement causée par une abrasion non directive. Figure 4 shows SEM images taken at 45 ° from the surface. We observe the appearance of a very strong relief. There is a formation of reliefs of several hundreds of nm of height H and width W, dense (, but of morphology and size not very homogeneous.The surface is always more homogeneous than in the case of glass, because one has a constituted surface only silica and copper The inhomogeneity of the structures is likely caused by non-directive abrasion.
Le cuivre incorporé dans la silice, permet d'obtenir rapidement des surfaces fortement structurées après abrasion avec des plots de plus de 100nm de haut. Rendre l'abrasion directive peut permettre d'obtenir des plots plus homogènes, de forme plus régulière, et de plus fort rapport d'aspect. The copper incorporated in the silica makes it possible to quickly obtain highly structured surfaces after abrasion with pads of more than 100 nm in height. Making the abrasion directive can make it possible to obtain more homogeneous studs, of more regular shape, and of higher aspect ratio.
Trois matériaux de type hybride métal/silice ont été élaborés. Deux voies ont été suivies pour la synthèse de ces systèmes : la voie sol-gel et l'échange ionique. On observe toujours la formation de plots Three hybrid metal / silica materials have been developed. Two paths have been followed for the synthesis of these systems: the sol-gel pathway and the ion exchange. We always observe the formation of studs
La voie sol gel permet d'éviter la formation de protubérance parasite, contrairement à l'échange ionique sur le verre. On peut améliorer l'homogénéité en rendant l'abrasion directive.
The sol gel route makes it possible to avoid the formation of parasitic protuberance, unlike the ion exchange on the glass. Homogeneity can be improved by making abrasion directive.