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EPI "ELECTROCHIMIE ET PHYSICO-CHIMIE AUX INTERFACES"
Responsable du groupe :
Dr. Arnaud Etcheberry
Composition du groupe
Personnel permanent Damien Aureau (CR) |
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Introduction
Un
couplage systématique entre les traitements en solutions pris dans
leur sens le plus large et l'analyse de surface par les spectroscopies
de photoélectrons ou d'électrons Auger. La
mise en œuvre de techniques optiques in situ : la photoluminescence,
le spectroscopie de photocourant et la spectroellipsométrie, sensibles
en deçà de la monocouche. Un
suivi des morphologies des surfaces par MEB, AFM et profilométrie
3D.Thèmes de recherche
Les activités de recherche de l'équipe sont réparties selon 9 opérations de recherche :
Physico-chimie des
oxydes et Oxydes minces sur semiconducteurs III-V
Interaction
H • / semiconducteurs III-V
Nucléation
des Métaux sur semiconducteurs III-V et II-VI
Si
et procédé Cu Damascène
Electrochimie
dans NH3(liquide)
Semiconducteurs
poreux: croissance et réponse électrochimique
Matériaux
II-VI et III-V pour IR
Interfaces
CIGS photovoltaïques
Electrochimie
sur semiconducteurs grands gap
Nanoparticules
(Pt, Pd) et Surfaces fonctionnalisées.
Physico-chimie
des oxydes et Oxydes minces sur semiconducteurs III-V
| N. Simon, I. Gérard
Nous étudions les interfaces "III-V/ électrolytes aqueux
" soumises à des oxydations anodiques générées"
à très bas niveau" (<1mA⋅cm-2) et à
pH intermédiaires. Les oxydations sont réalisées
sous éclairement à potentiel contrôlé ou en
mode galvanostatique, à différents régimes. Nous
avons corrélé la composition chimique, la texture des oxydes
et leurs propriétés électriques. La maîtrise,
à la fraction de monocouche, de la croissance est notre résultat
majeur. Sur InP, nous sommes capables de distinguer les stades, en sub-
monocouche, de ceux en recouvrement total, puis de démontrer la
saturation de l'épaisseur d'oxyde à partir d'une charge
anodique donnée. L'autre résultat majeur concerne un transfert
progressif du mécanisme d'oxydation d'InP vers l'oxydation de l'eau
qui s'appuie sur un design spécifique de surface. La grande originalité
de ce travail réside dans le couplage quantitatif entre l'approche
capacitive et la caractérisation XPS qui détecte, sans ambigüité,
étape après étape, l'évolution de la nucléation
sur la surface suivie à présent par AFM ex situ .
Evolution de la composition chimique (XPS) et de
la réponse capacitive (Mott-Schottky plots) de la surface
Interaction H •
/ semiconducteurs III-V | A.
Etcheberry, I. Gérard
Nous étudions le détail des perturbations de surfaces engendrées
par le dégagement d'hydrogène. Le travail concerne les phénomènes
d'adsorption de H, intervenant dans la première étape du
processus. Le suivi du mécanisme se fait sur le signal de photoluminescence
(PL) in situ qui présente une exaltation dont la quantification
a fait l'objet de tout le travail. La corrélation entre l'adsorption
de H et la diminution drastique de la vitesse de recombinaison de surface
des porteurs minoritaires est, à présent, établie
pour expliquer l'effet d'exaltation. Nous éliminons l'influence
unique d'une entrée en régime d'accumulation mettant fin
à dix ans d'interrogation sur une éventuelle prédominance
de ce paramètre. L'étape suivante de décomposition
cathodique a été parfaitement suivie par la PL in situ.
Nucléation des métaux sur
SC III-V et II-VI — Si et procédé
Cu damascène
| P. Tran Van, I. Gérard, E.
Delbos
—Nous travaillonsen même temps sur les aspects liés
à la cinétique, à la nucléation, à
l'interaction chimique dépôt-substrat, à l'évolution
du diagramme énergétique à différents stades
du recouvrement, qui sont autant de points sur les concepts de base de
la discipline. Sur le système Cu/InP, nous avons terminé
notre travail sur la dépendance densité de nucléation/potentiel
d'électrode. Cette é a abouti à grâce à
une approche combinée AFM/PL/XPS qui discrimine parfaitement les
différents domaines de nucléation comme le montre les figures
suivantes. Ce sujet sera central dès réception du nano-Auger.
(P. Tran Van, I. Gérard)
Dépôt de Cu sur InP à différents potentiels : AFM, transitoire de courant, spectre Auger
—Axé sur les technologies TSV (Through Silicon Via), ce projet ANR a pour objectif le remplissage de structures micro et nanométriques par électrodéposition de cuivre pour les interconnexions 3D ("System in Package"). En partenariat avec NXP, OM Group et Alchimer, nos recherches s'orientent selon deux axes principaux : la compréhension des phénomènes physico-chimiques régissant l'électrodépositon du cuivre, ainsi que l'optimisation des paramètres de dépôt. Le but final est de minimiser le temps de remplissage afin de le rendre compatible avec les exigences industrielles. Nos recherches sont actuellement en cours de validation industrielle. (E. Delbos)
Electrochimie dans NH3(liquide) | A.-M. Gonçalves, C. Mathieu, O. El Ali
Cette approche repose sur la mise en évidence, depuis 2004, d'une chimie de surface contrôlée de type "P—N" à l'échelle nanométrique, lors de l'anodisation de semiconducteur III-V dans NH3 liq. Elle est ainsi le support, sur InP, de structures poreuses encore inédites. L'évolution de l'interface est suivie par électrochimie (E vs. t), par luminescence (ex situ), par analyse chimique de surface (XPS) et par microscopie électronique à balayage (morphologie). Ce travail fait l'objet d'une collaboration avec le Laboratoire Hétéroéléments et Coordination (UMR 7653) de l'Ecole Polytechnique.
Greffage organométallique sur film phospoazoté (à gauche)
Film poreux obtenu par anodisation dans NH3liq (au centre), évolution du potentiel et de la PL pendant la croissance des pores (à droite)
Semiconducteurs poreux: croissance et réponse électrochimique | A.-M. Gonçalves
La dissolution anodique de semiconducteurs permet la formation de films poreux constituants des nanostructures unidimensionelles. De nombreuses propriétés physico-chimiques sont induites par cette géométrie particulière. Nous nous intéressons, d'une part, aux mécanismes de croissance des pores et d'autre part à l'établissement du lien entre les propriétés et les différentes morphologies obtenues en variant les conditions expérimentales. Pour cela, nous utilisons le dosage par spectroscopie d'absorption atomique et nous couplons la microscopie électronique avec les techniques de caractérisation (photo-) electrochimiques et optiques (photoluminescence in et ex situ) utilisées durant la porosication ou à posteriori.
Vues en coupe de films poreux dans n-InP (100):
pores orientés ⟨111⟩ (à gauche), multicouches de pores perpendiculaires à la surface (à droite)
Interfaces CIGS photovoltaïques | P. Tran Van, I. Gérard, M. Bouttemy
L'activité comporte trois volets faits en collaboration : LECA (UMR 7575), LGEP (UMR 8507) et la plateforme IRDEP CNRS- EDF. Ces travaux sont financés sur programmes. Dans le premier volet, nous corrélons les propriétés électriques des surfaces et interfaces et leurs compositions chimiques. Des déplacements de composition "minimes" modifient les densités électroniques d'interface et le rendement photovoltaïque de la pile. Nous traitons par solutions de brome des surfaces de CI(G)S co-évaporées ou obtenues par électrodépôt à l'IRDEP. Le second volet concerne le dépôt par bain chimique de CdS. Nous avons décidé de travailler sur des supports tels que InP ou GaAs qui présentent un cation commun avec CIGS. Nous avons couplé la PL, la spectroellipsomètrie et le profilage XPS pour caractériser et optimiser le film mince de CdS. Le troisième volet concerne l'étape d'électrodépôt de CIS. Nous travaillons avec E. Chassaing (IRDEP) à la compréhension des premiers stades de croissance sur Mo.
Electrochimie sur semiconducteurs grands gap | N. Simon, A.-L. Joudrier, G. Charrier
—Nous nous intéressons aux modifications des propriétés physico-chimiques d'électrodes de diamant polycristallin dopé au bore. Notre objectif est de corréler les comportements électrochimiques à l'évolution de la chimie superficielle du matériau. Ces travaux sont menés en collaboration avec le GEMaC. Le diamant brut de fabrication présente une surface de type "hydrogénée, C—H " avec une affinité électronique négative et un caractère hydrophobe marqué. Nous avons étudié différentes méthodes (anodisation, réduction, plasma H2, recuit) destinées à modifier cette surface initiale. Grâce à des anodisations "contrôlées" en milieu acide, nous avons mis en évidence une évolution progressive et reproductible des terminaisons de surface de "C—H" vers "C—O", associée à un glissement du potentiel de bandes plates et une perte progressive d'hydrophobicité ; ceci constitue un de nos résultats majeurs. En parallèle, l'analyse XPS haute résolution a permis de quantifier les évolutions des groupements C—OH, C=O, C—O—C, COOH et "C—Hx" associés aux différents traitements de surface. Notre démarche aborde également un aspect plus fondamental de l'électrochimie du diamant lié au contraste entre une réactivité "semi-métallique" et des mesures capacitives de type semiconducteur. Actuellement notre approche s'étend à de nouveaux traitements en milieu NH3(liquide). (N. Simon)
Evolution de la réponse capacitive et de la mouillabilité au cours du traitement
—Sur ZnO nous développons une étude avec le GEMaC dans l'Institut Carnot du LETI. Nous travaillons le conditionnement des substrats monocristallins de ZnO, puis les phases initiales de croissance ZnO sur ZnO par OMCVD. Nous étudions les réponses XPS des faces polaires (1000) O et Zn en rapport avec la disparité de leur réactivité chimique, puis nous analysons l'évolution sur les premiers stades de croissance sur les faces O. En parallèle nous travaillons sur la caractérisation électrochimique de ZnO en regardant la question du profilage électrochimique des porteurs, qui est la seule voie aisée pour détecter un dopage p qui est au coeur du programme Carnot du LETI. Il s'agit d'une reprise d'étude sur un matériau "mythique" pour notre discipline mais avec des moyens totalement nouveaux : substrats "parfaits", XPS, ARXPS, AFM in situ, électrochimie beaucoup plus puissante. L'interface devient un centre d'intérêt majeur! (A.-L. Joudrier, N. Simons)
Figures d'attaques sur faces Zn et O (MEB) et effet du recuit sur une face O (AFM par V. Sallet - GEMaC)
Nanoparticules (Pt, Pd) et Surfaces fonctionnalisées | A. Etcheberry, A.-M. Gonçalves, P. Tran Van,
Effectuée dans le cadre d'un LRC (CEA) et d'une ACI Nano, cette activité repose sur des nano-particules de Pt (2 nm) fonctionnalisées par la 4-mercaptoaniline au Laboratoire F. Perrin (H. Perez). Sur ces nano-Pt sont sur-greffées différentes couronnes organiques. Ces nano clusters de Pt, à double couronne organique, sont déposés couche par couche sur or par la technique de Langmuir Blodgett (LB) sur des supports plans. Dans ce thème, notre activité vise à comprendre le comportement électrochimique tant individuel que collectif de ces nano-particules. Nous avons achevé l'étude de la réponse électrochimique de différentes configurations de films LB. Nous avons fait varier la nature du sur-greffage, nous avons réalisé des empilements alternés de particules différentes et utilisé des dilutions différentes de particules. Le couplage des caractérisations XPS et électrochimiques (couple sonde Fe(CN)63-/4-) a permis d'avoir une vision précise du transfert d'électron entre le couple en solution et l'édifice de nanoparticules. Nous avons démontré que l'activité électrochimique est concentrée sur les deux dernières couches de particules. L'activité dépend de la nature de la seconde couronne. Le reste du film sert de relai pour l'évacuation des e- . La notion de site actif sur les particules et d'accès des espèces électroactives à ces sites ont fait l'objet d'une étude spécifique utilisant le phénomène d'adsorption/désorption de H ou la technique UPD. Nous sommes en mesure d'évaluer un taux de couverture des atomes externes de Pt en assez bon accord avec nos interprétations XPS. Ces structures hybrides sont électroactives pour la réduction de O2.
Vue des nano-particules de Pt (MET) et leur comportement électrochimique face à la réduction de O2
Techniques utilisées
Techniques
électrochimiques: électrochimie basse T, impédance
électrochimique, photoéléctrochimie, μbalance à
quartz, transitoire de courant... Spectroscopie
de photoélectrons X (XPS) et d'électrons Auger (AES) Microscopie
électronique à balayage et analyse chimique X (MEB/EDX) Spectroscopie
d'absorption atomique: flamme et four (F-AAS et GF-AAS) Angle
de contact Ellipsométrie Photoluminescence
in et ex situ (PL) Microscopie
à force atomique (AFM)Collaborations
Partenariats de recherche "Académique" extérieurs :
Partenariats industriels
Nous développons une activité importante de recherche en partenariats avec le secteur R&D industriel. Ces collaborations exploitent notre compétence en matière de chimie et d'électrochimie des surfaces et interfaces sur semiconducteurs, elles ont un lien fort avec notre recherche fondamentale. Les secteurs industriels concernés sont ceux de la microélectronique, de l'optoélectronique, de l'électrodépôt, de la pile à combustible, du photovoltaïque.
Accueil et opération de recherche sur la plateforme CEFS2 :
Vue d'une chambre d'analyse XPS
Description détaillée la plateforme CEFS2
| Dernière
mise à jour de cette page le
29/01/13
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