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Des films de quartz poreux nanostructurés pour l’électronique

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Des films de quartz poreux nanostructurés pour l’électronique

des « durs à cuire » vaincus par la chimie douce

 

Le quartz, l’une des phases cristallines de la silice, second minéral le plus abondant au monde, était très difficile à purifier et à nanostructurer pour la microélectronique jusqu’à aujourd’hui. En effet, des chercheurs du Laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris (CNRS/Collège de France/UPMC) en collaboration avec l'Institut des matériaux de Barcelone et l’Institut Laue-Langevin de Grenoble ont réussi un tour de force exceptionnel : obtenir avec un procédé simple un film de quartz sur un support de silicium intégrant des caractéristiques indispensables pour la microélectronique.

 

Pourquoi le quartz dans ce domaine ? Pour ses propriétés piézoélectriques, c'est-à-dire la capacité à produire une charge électrique sous l’effet d’une contrainte mécanique. Œuvre de la chimie douce, ces travaux qui ouvrent une voie à la réduction drastiques des coûts de fabrication de films de quartz pour l’électronique et à leur exploitation dans de nouvelles applications du domaine, paraissent dans la revue Science le 17 mai 2013.

 

Le quartz, espèce minérale composée de silice (SiO2), est en effet parmi les minéraux les plus abondants au monde. En électronique, ce sont les propriétés piézoélectriques d’une de ses conformations (l’α-quartz) qui sont recherchées. Cette propriété, découverte en 1880 par les frères Curie, lui permet de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement, de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. La piézoélectricité trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne depuis le commun allume-gaz aux résonateurs piézoélectriques, capteurs de pression ou d'accélération, actionneurs et moteurs piézoélectriques, microgénérateurs, transformateurs piézoélectriques, filtres en électronique… Bien qu’abondant, le quartz naturel ne possède ni la pureté, ni la qualité nécessaire pour permettre son insertion dans les dispositifs électroniques. Les films de quartz utilisés sont le plus souvent obtenus par découpage de tranche de quartz synthétique, fabriqué à des températures et pressions élevées.

 

Image topographique de microscopie AFM d’une couche macroporeuse de quartz épitaxiée sur (100)-silicium. Image à haute résolution de MET de l’interface quartz-silicium à travers le axe de zone cristallographique [001] du α-quartz (droite). © Laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris, équipe MHN

 

L’une des expertises de l’équipe chimie des Matériaux Hybrides et des Nanomatériaux (MHN), dirigée par Clément Sanchez, est la chimie douce hybridante qui permet, en s’inspirant du vivant, de synthétiser des matériaux multi-échelles et multifonctionnels originaux qui impactent les domaines de l’énergie, l’environnement, la nanomédecine, la micro-optique et la microélectronique modernes. Un récent fait marquant de cette équipe concerne l’élaboration de nouveaux revêtements mésotexturés de quartz, un challenge qui depuis quelques années paraissait inaccessible aux équipes de recherche européennes, japonaises et américaines travaillant sur ces thèmes.

 

Ces travaux, basés sur un mode opératoire d’une grande simplicité mais intégrant des mécanismes de réaction particulièrement complexes, présentent une caractéristique totalement originale pour ces conditions de température et de pression : produire à partir de silice amorphe l’α-quartz (et non pas les phases cristallines de silice non-piézoélectriques) cristallisé avec un lien de symétrie avec son support de silicium, on dit plus exactement que le quartz est épitaxié. Cette propriété s’ajoute à une porosité qui peut être contrôlée de l’échelle du micron à celle de la dizaine de nanomètres, ce qui permet d’augmenter très notablement les surfaces accessibles à des molécules afin d’élaborer par exemple des capteurs ultraperformants. Ces matériaux piézoélectriques élaborés en associant finement chimie douce, agents texturants et traitement thermique sont moins couteux, plus facilement intégrables sur les plateformes silicium existantes de la microélectronique et présentent des textures originales par rapport au quartz conventionnel.

 

Les spécificités de ce quartz piézoélectrique méso ou macro-poreux épitaxié ouvrent un champ de recherches et d’applications très prometteur. Les attentes les plus évidentes concernent à la fois le domaine des capteurs intelligents basés sur la modulation des ondes acoustiques et la microélectronique moderne (développements de dispositifs pour la microélectromécanique).

 

La revue Science souligne l’originalité du résultat en publiant un commentaire rédigé par deux spécialistes internationaux du domaine dans le même numéro.

 

Pour en savoir plus :

Laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris Nouvelle fenêtre

 

Équipe « Matériaux hybrides et nanomatériaux » (MHN)Nouvelle fenêtre.

L’équipe MHN a pris plus d’une soixantaine de brevets sur ces thèmes.

 

Référence

A. Carretero-Genevrier, M. Gich, L. Picas, J. Gazquez, G. L. Drisko, C. Boissiere, D. Grosso, J. Rodriguez-Carvajal, C. Sanchez. Soft Chemistry Based Routes to Epitaxial α-Quartz Thin Films with Tunable Textures. Science, 17 mai 2013.

 

Contact chercheur

Clément Sanchez, Professeur au Collège de France, Laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris

T. 01 44 27 15 01 l clement.sanchez@college-de-france.fr ou clement.sanchez@upmc.fr

 

Vignette : image topographique de microscopie AFM d’une couche macroporeuse de quartz épitaxiée sur (100)-silicium. Image à haute résolution de MET de l’interface quartz-silicium à travers le axe de zone cristallographique [001] du α-quartz (droite). © Laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris, équipe MHN



14/05/13