Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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100 Des matériaux pour les technologies de l’information et de la santé Les films minces nanostructurés par voie Sol-Gel Aujourd’hui, les chercheurs parviennent à construire des matériaux « à façon » dont la richesse des combinaisons possibles ouvre la voie à une multitude d’applications. Accessible, facilement transposable en milieu industriel, la technique du revêtement en couche mince offre incontestablement les potentialités les plus prometteuses dans la palette des mises en forme possibles. Insolation aux rayons ultraviolets du revêtement multicouche Sol-Gel déposé par enduction laminaire. Il s’agit d’une méthode de densification des matériaux inorganiques, brevetée par le CEA qui l’utilise comme méthode alternative au traitement thermique ou au traitement chimique. Cet appareil irradie le revêtement avec des rayons ultraviolets dont l’énergie est absorbée par les matériaux déposés en couches minces. Une polymérisation de type inorganique se produit, conférant ainsi au matériau une meilleure résistance mécanique et chimique. Le principal intérêt de cette méthode tient à sa rapidité de mise en œuvre : quelques dizaines de secondes d’insolation contre trente minutes de traitement thermique à 120 °C. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 D epuis 1985 déjà, le Département matériaux du CEA, situé sur le centre du Ripault, élabore des architectures multicouche complexes destinées à réaliser une large gamme de matériaux dotés de propriétés spécifiques, voire inédites. Ce laboratoire s’appuie sur la technique Sol-Gel (1) qui permet la synthèse des verres, des céramiques ou des composés organo-minéraux et qui trouve aujourd’hui sa principale application dans la réalisation de couches minces, c’est-à-dire n’excédant pas quelques nanomètres, voire une dizaine de micromètres. L’intérêt de ce procédé réside dans le fait qu’une fois déposée sur un substrat, cette couche mince peut en modifier les propriétés « à façon ». Parmi les multiples possibilités d’organisations nanoscopiques, le Département matériaux privilégie quatre possibilités de nanoconstruction et de nanostructuration des films. (1) Abréviation de solution-gélification. P.Stroppa/CEA Observation visuelle d’un empilement multicouche Sol-Gel hautement réfléchissant. Substrat revêtu d’un empilement hautement réfléchissant de multicouches Sol-Gel. P.Stroppa/CEA P.Stroppa/CEA
Les couches nanoparticulaires d’oxydes Il est aujourd’hui possible de réaliser des revêtements Sol-Gel par voie colloïdale (2), c’est-à-dire des revêtements uniquement constitués de particules de taille nanométrique. De leur porosité découlent des propriétés fonctionnelles particulièrement intéressantes. Le procédé consiste à convertir chimiquement le matériau en oxyde. L’opération s’effectue toujours en solution, ce qui permet d’opérer à pression ordinaire et à température ambiante. Le résultat donne un assemblage peu compact de particules en couches poreuses. Il faut dire qu’un film colloïdal, en plus d’un faible indice de réfraction, reste mécaniquement fragile ; en contrepartie, il développe peu de contraintes internes rendant possible le dépôt d’épaisseurs microniques. Pour maîtriser les propriétés du film déposé, les solutions constituées de particules de taille nanométrique doivent demeurer rhéologiquement stables dans le temps. Plusieurs moyens de stabilisation existent pour y parvenir : électrostatique, stérique ou le haloing (3), autrement dit la formation d’un cortège de nanoparticules autour de microparticules permettant leur stabilisation. Cette voie colloïdale s’avère particulièrement bien adaptée aux applications destinées à l’optique, notamment aux couches minces optiques, en raison de sa mise en œuvre facile à basse température et de ses performances remarquables, comme son indice optique et sa résistance au flux intense de lumière. Néanmoins, l’utilisation de cette voie suppose que deux obstacles soient préalablement levés, à savoir la fragilité mécanique et la sensibilité atmosphérique. En effet, les films minces colloïdaux étant poreux et sans cohésion, ils s’avèrent donc sensibles. D’où les efforts des chercheurs pour concilier la performance optique du film avec de bonnes propriétés mécaniques. Une étude récente, menée sur un film colloïdal de silice, a permis d’aboutir à un compromis prometteur (4). Elle montre qu’en utilisant un post-traitement catalytique en milieu gazeux (plus précisément, un traitement ammoniacal), la résistance à l’abrasion des films nanoparticulaires de silice, dont la porosité 1 2 C2H5O C2H5O 0H 0H Si Si SiO 2 Si 0H + 0H - 25 °C (NH3, H2O) SiO 2 Si 0 - Si 1 atm Si 0H 0H Si SiO 2 Si Si 0H 0H Si 0 - + 0H Si SiO 2 0H 0H Si 1 - catalyse basique des silanols de surface : déprotonation 2 - « coalescence » : condensation de surface et liaisons hydrogène Mise en place d’un substrat pour traitement optique par enduction laminaire. dépasse les 50%, s’améliore considérablement. Ce résultat s’explique. En effet, la post-catalyse favorise la formation de liaisons interparticulaires par réaction de surface, ce qui conduit à la formation de ponts siloxane ou hydrogène entre colloïdes voisins (figure 1). (2) Il existe deux voies de synthèse Sol-Gel : la voie inorganique ou colloïdale obtenue à partir de sels métalliques en solution aqueuse (chlorures, nitrates, oxychlorures...) et la voie métallo-organique ou polymérique, obtenue à partir d’alcoxydes métalliques dans les solutions organiques. (3) Il s’agit de la formation d’un cortège de nanoparticules autour de microparticules permettant leur stabilisation. (4) Il s’agit d’un résultat original, démontré dans le cadre d’une thèse, puis breveté par le CEA. 25 °C 1 atm Si O H H O + H2O Si SiO 2 Si 0 Si SiO 2 Si O H Si O H + 0H - Figure 1. Mécanisme réactionnel de durcissement à l’ammoniac. L’atm correspondant à l’unité de pression atmosphérique, C 2 H 5 O au radical éthoxy, Si à l’atome de silicium, OH au radical hydroxy, NH 3 à l’ammoniac et bien sûr H 2 O à l’eau. P.Stroppa/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 101



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