Analyse des couches minces

Comme les exigences en matière de caractérisation d’une couche mince et d’un matériau solide diffèrent considérablement dans certains cas, des techniques de mesure différentes doivent être utilisées pour les deux domaines.

La conductivité thermique et la conductivité électrique des films minces sont généralement inférieures à celles des matériaux solides comparables.
Par exemple, la conductivité thermique lambda d’un film ou d’un nanofil de Si de 20 nm à température ambiante peut être cinq fois inférieure [1] à celle de son homologue solide et monocristallin.
Pour un film d’or de 100 nm d’épaisseur, il a également été démontré que la conductivité électrique et thermique est presque divisée par deux [2].
En général, on peut dire que les propriétés de transport ne dépendent pas seulement de la température, mais aussi fortement de l’épaisseur [3].

De telles réductions de la conductivité peuvent généralement être attribuées à deux causes.
D’une part, la technologie de synthèse des couches minces utilisée se traduit souvent par des impuretés et des défauts plus importants dans une couche mince, ce qui entraîne une augmentation du désordre et des interfaces entre des grains dans le matériau, qui à son tour entraîne une plus grande diffusion et donc une réduction de la conductivité thermique et de la conductivité électrique.
En outre, même un film mince  parfait à l’échelle atomique devrait présenter une conductivité thermique réduite en raison de la diffusion interfaciale et de la fuite de phonons.
Cependant, les deux mécanismes influencent différemment le transport dans le plan et perpendiculaire au plan de la couche, de sorte que les propriétés de transport des films minces présentent généralement un comportement anisotrope.
Cet effet peut être observé même si le matériau solide correspondant présente un comportement isotrope.

[1] Li, Deyu, et al.
« Thermal conductivity of individual silicon nanowires ». Applied Physics Letters 83.14 (2003) : 2934-2936.

[2] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Nielsch, K. et Woias, P. 2018.
Thermoelectric properties of Au and Ti nanofilms, characterized with a novel measurement platform. Materials Today : Proceedings, ECT2017 Conference Proceedings.

[3] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Hühne, R., Schnatmann, L., Nielsch, K. et Woias, P. 2018.
Thickness and temperature dependent thermoelectric properties of Bi₈₇Sb₁₃ nanofilms measured with a novel measurement platform. Semiconductor Science and Technology.