Les revêtements en couches minces sont des couches extrêmement minces de matériau placées sur la surface du substrat. Leur épaisseur peut varier de quelques micromètres, ou millionièmes de mètre, à moins de 1 nanomètre, ou milliardième de mètre. Les revêtements en couches minces peuvent être fabriqués à partir de diverses substances, notamment le silicium, la céramique et l’arséniure de gallium. Ils sont couramment utilisés dans les dispositifs optiques tels que les cellules photovoltaïques utilisées pour la production d’énergie solaire, pour les composants électroniques et dans les outils et autres équipements qui nécessitent une résistance aux dommages de surface.
La composition d’un revêtement en couche mince dépend de son objectif. Les revêtements en couches minces utilisés dans les cellules photovoltaïques pour générer de l’énergie solaire sont constitués de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et l’arséniure de gallium. Ces matériaux peuvent convertir l’énergie de la lumière en courant électrique lorsque les photons de lumière entrants excitent les électrons du matériau semi-conducteur à des niveaux d’énergie plus élevés. Ces revêtements sont également utilisés en électronique, comme les circuits intégrés.
Les films minces semi-conducteurs sont souvent appliqués en une série de couches avec des compositions chimiques variables pour affecter les propriétés du film. Ces couches peuvent être incroyablement minces et certains revêtements à couches minces ont des couches qui n’ont qu’un seul atome d’épaisseur. Ainsi, un revêtement en couche mince peut contenir une structure interne complexe de couches variables dans un espace extrêmement réduit.
Les céramiques à couches minces sont utilisées dans des applications nécessitant des matériaux résistants à l’usure ou à la corrosion. Les outils de coupe, par exemple, peuvent avoir une durée de vie considérablement prolongée s’ils sont fabriqués avec une fine couche extérieure en céramique sur le tranchant pour protéger le reste de la lame de l’usure. Les appareils qui utilisent des produits chimiques réactifs, tels que les piles à combustible, peuvent utiliser de la céramique à couche mince pour les contenir en raison de l’inertie chimique relative du film céramique.
Les autres utilisations des revêtements à couches minces comprennent les batteries au lithium rechargeables, qui peuvent être fabriquées avec une cathode composée d’un film mince de lithium et d’oxydes métalliques pour produire des batteries beaucoup moins encombrantes et plus flexibles que les batteries conventionnelles. Les miroirs contiennent un mince film métallique, généralement en aluminium dans les miroirs modernes, derrière le verre pour créer une surface réfléchissante. Les revêtements en film d’aluminium mince sont également utilisés dans l’emballage de nombreux biens de consommation modernes, en particulier les aliments, pour augmenter la durée de conservation des articles périssables et rendre l’emballage plus brillant et plus visible. Les films d’aluminium sont également utilisés comme isolants, en particulier pour les applications nécessitant flexibilité et portabilité, et ils sont incorporés dans des éléments tels que les combinaisons spatiales, les équipements de protection des pompiers et les couvertures isolantes d’urgence pour les victimes de chocs.
Les revêtements en couches minces sont appliqués sur une surface par l’une de plusieurs techniques appelées collectivement dépôt de couches minces. La plupart de ces méthodes sont classées en tant que dépôt chimique, dans lequel le film mince est appliqué par une réaction chimique entre la surface et un fluide appelé précurseur, ou dépôt physique, dans lequel le film est appliqué par des moyens mécaniques, thermiques ou électriques. . Les méthodes de dépôt chimique comprennent le placage, qui utilise une solution de précurseur liquide contenant des ions métalliques dissous, et le dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel la surface réagit avec des composés gazeux.
Les méthodes physiques de dépôt sont réalisées dans une chambre à vide contenant le substrat et la substance. Les particules de ce dernier sont éliminées par divers moyens, tels que le chauffage, des impulsions laser ou des arcs électriques, créant une vapeur qui forme un film sur le substrat. Il existe également des méthodes qui utilisent à la fois des processus physiques et chimiques et ne rentrent pas parfaitement dans l’une ou l’autre catégorie, telles que la pulvérisation réactive et l’ épitaxie par faisceau moléculaire .