Analyse des couches minces

Les exigences entre la caractérisation d’une couche mince et celle d’un matériau plein étant parfois très différentes, il est nécessaire d’utiliser des techniques de mesure différentes pour les deux domaines.

La conductivité thermique et la conductivité électrique des couches minces sont généralement plus faibles que celles des matériaux pleins comparables.
Par exemple, la conductivité thermique lambda d’un film de Si de 20 nm ou d’un nanofil à température ambiante peut être cinq fois inférieure [1] à celle de son homologue monocristallin massif.
Pour un film d’or de 100 nm d’épaisseur, il a également été démontré que la conductivité électrique et thermique était 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].

Ces réductions de conductivité peuvent généralement être attribuées à deux causes initiales.
D’une part, la technologie de synthèse de couches minces utilisée entraîne souvent des impuretés et des défauts plus importants dans une couche mince, ce qui entraîne plus de désordre et de joints de grains dans le matériau, ce qui entraîne plus de diffusion et donc une conductivité thermique et électrique réduite.
De plus, même dans le cas d’une couche mince atomiquement parfaite, on pourrait s’attendre à une conductivité thermique réduite en raison de la diffusion interfaciale et des fuites de phonons.
Cependant, ces deux mécanismes affectent différemment le transport in-plane et le transport cross-plane, de sorte que les propriétés de transport des couches minces présentent généralement un comportement anisotrope.
Cet effet a été observé même lorsque le matériau plein associé 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., and Woias, P. 2018.
Propriétés thermoélectriques de nanofilms d’Au et de Ti, caractérisées par une nouvelle plateforme de mesure. Materials Today : Proceedings, ECT2017 Conference Proceedings.

[3] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Hühne, R., Schnatmann, L., Nielsch, K., and Woias, P. 2018.
Epaisseur et propriétés thermoélectriques dépendantes de la température des nanofilms de _Bi87Sb13 mesurées avec une nouvelle plateforme de mesure. Science et technologie des semi-conducteurs.