Ecriture directe par laser de matériaux à propriétés opto-électroniques à partir d’oxo-clusters de métaux de transition

Direct laser writing of materials with optoelectronic properties from transition metal oxo-clusters

• Auteur / Autrice : Laurent Noël
• Direction : Olivier Soppera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 04/05/2023
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse / IS2M

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Photolithographie

Photochimie -- Technique

Réseaux de capteurs (technologie)

Sol-gel, Procédé

Internet des objets

Mots clés libres

Chimie sol-gel

Nanofabrication

Opto-électronique

Photochimie

Photolithographie

Micro-électronique

Métaux de transition

Laser

Sol-gel chemistry

Nanofabrication

Opto-electronic

Photochemistry

Photolithography

Microelectronics

Transition metals

Laser

Résumé

Dans le contexte actuel d’un monde de plus en plus connecté, de nouveaux procédés doivent être développés afin d’intégrer des capteurs sur les objets de tous les jours, afin de suivre en temps réel des grandeurs physiques dans le domaine de la santé, environnement, sport, etc : il s’agit de l’Internet of Things (IoT). Parmi les matériaux potentiels, les semi-conducteurs sont des candidats de choix mais les techniques de dépôt et structuration employées par l’industrie microélectronique supposent des procédés complexes, chers et énergivores. Cette thèse est centrée autour d’un procédé alternatif, qui combine la chimie sol-gel et un traitement par laser, pour l’intégration de semi-conducteurs sur divers substrats. Cette chimie représente une voie relativement simple pour préparer ces matériaux de types oxydes métalliques (TiO2, ZrO2, InZnOx) à partir de précurseurs organiques ou de sels. Cependant, afin d’obtenir les propriétés optiques ou électriques désirées, un traitement thermique (> 300°C) est généralement requis. Nous proposons ici de remplacer cette étape par un traitement laser. En fonction de l’application visée, une longueur d’onde dans ultraviolet-profond (DUV) à 193 nm peut être utilisée, alors que pour d’autres, le proche infrarouge à 808 nm (NIR) est plus adapté. Dans certains cas, la combinaison de ces deux longueurs a été envisagée. Au cours de cette thèse, différents composites ont été imaginés dans l’objectif d’obtenir de nouvelles propriétés (plateformes SERS, méso-porosité, magnéto-optique…). Les matériaux obtenus sont sous forme de films minces et peuvent ainsi être analysés par ellipsométrie, spectroscopie UV-visible ou Raman, et mesures électriques.

In the current context of an increasingly connected world, new processes need to be developed to integrate sensors into everyday objects, in order to monitor physical quantities in real time in the fields of health, the environment, sport, etc.: this is the Internet of Things (IoT). Among the potential materials, semiconductors are prime candidates, but the deposition and structuring techniques used by the microelectronics industry involve complex, expensive and energy-intensive processes. This thesis focuses on an alternative process, combining sol-gel chemistry and laser treatment, for integrating semiconductors on various substrates. This chemistry represents a relatively simple route for preparing these metal oxide materials (TiO2, ZrO2, InZnOx) from organic precursors or salts. However, in order to obtain the desired optical or electrical properties, heat treatment (> 300°C) is generally required. We propose to replace this step with laser treatment. Depending on the application, a wavelength in the deep ultraviolet (DUV) at 193 nm may be used, while for others, the near infrared at 808 nm (NIR) is more suitable. In some cases, a combination of these two lengths has been envisaged. During the course of this thesis, various composites were devised with the aim of obtaining new properties (SERS platforms, meso-porosity, magneto-optics, etc.). The materials obtained are in the form of thin films and can therefore be analysed by ellipsometry, UV-visible or Raman spectroscopy, and electrical measurements.