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Microwave Microscopy for Advanced and Efficient Materials Analysis and Production

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Une nouvelle plateforme de microscopie à micro-ondes contribue au développement de matériaux semi-conducteurs de haute qualité

Des chercheurs financés par l’UE ont développé une plateforme de microscopie à micro-ondes capable de sonder les propriétés des matériaux à toutes les échelles: depuis les processus insaisissables qui ont lieu à l’interface des semi-conducteurs au comportement électrique et magnétique à l’échelle macroscopique.

Technologies industrielles

Les nanotechnologies connaissent un essor fulgurant et s’invitent discrètement dans de nouveaux produits. Les avancées dans ce domaine ouvrent la voie à un éventail de nouvelles applications qui sortent du cœur d’activité de cette technologie qu’est celui des micropuces, comme la médecine, l’énergie, les piles/batteries, les carburants et les capteurs chimiques. La fabrication réussie des produits nanotechnologiques exige une meilleure compréhension du comportement de la matière à l’échelle atomique. «La qualité et les performances des produits fabriqués dépendent fortement des propriétés chimiques, électriques, électroniques et optiques des matériaux à l’échelle nanométrique. Il est possible d’obtenir un contrôle précis des performances grâce à la modification de l’interface des matériaux», fait remarquer Kamel Haddadi, coordinateur du projet MMAMA, financé par l’UE. «Il est essentiel de posséder des connaissances approfondies des propriétés des interfaces, car elles dissimulent ou se superposent souvent aux propriétés des semi-conducteurs en vrac, ce qui rend la conception des produits compliquée.»

Des propriétés insaisissables qui pointent le bout de leur nez

MMAMA a développé une nouvelle plateforme d’imagerie qui intègre des instruments et des outils de modélisation qui permet une analyse minutieuse de ces interfaces et la modélisation de leurs propriétés. «Notre plateforme de microscopie à micro-ondes permet une analyse avancée des matériaux semi-conducteurs utilisés dans les cellules solaires et les circuits électroniques», ajoute Kamel Haddadi. La microscopie à micro-ondes à balayage offre un moyen non invasif d’étudier les phénomènes importants à l’œuvre à l’échelle du milliardième de mètre. Globalement, une installation de microscopie à micro-ondes en champ proche combine la résolution spatiale exceptionnelle d’un microscope à force atomique et les excellentes capacités de mesure électrique d’un analyseur de réseau vectoriel. La pointe du microscope à force atomique balaie l’échantillon à une distance de quelques nanomètres au-dessus de la surface et émet un signal micro-ondes qui est diffusé par le matériau. Les micro-ondes sont beaucoup plus grandes que les surfaces des nanomatériaux qu’elles observent. Mais lorsque la distance à partir de laquelle elles sont émises est minuscule, les micro-ondes en champ proche reflètent une image étonnamment détaillée de l’échantillon. «MMAMA a démontré qu’il est possible de perfectionner la technologie de pointe de la microscopie à micro-ondes à balayage en termes de sensibilité et de résolution spatio-temporelle, afin de prendre en charge différents types de sondes à micro-ondes comme les pointes de diapason», fait remarquer Kamel Haddadi. «Notre plateforme intègre des outils de microscopie à micro-ondes à balayage, l’imagerie radar en espace libre, la spectroscopie d’impédance, un résonateur diélectrique et des modèles de simulation.» Le résonateur diélectrique en anneaux fendus récemment développé et fonctionnant à une fréquence de 10 GHz a été monté sur un scanner de canal portable, afin de caractériser les propriétés des matériaux, comme la constante diélectrique, à l’échelle macroscopique. Les vérifications croisées entre différents instruments et modèles de simulation se sont avérées indispensables pour obtenir des résultats de mesure fiables.

Applications technologiques

Dans le domaine des cellules solaires de troisième génération, la microscopie à micro-ondes à balayage peut capturer des charges se déplaçant de couche en couche à travers les interfaces et se rassemblant de manière sélective au niveau des électrodes. «Les mesures de la microscopie à micro-ondes à balayage permettent la caractérisation des propriétés électriques des semi-conducteurs organiques ou hybrides nanostructurés utilisés dans les cellules solaires de prochaine génération. Elles permettent de prévoir les performances dès les premières étapes du développement des prototypes, ce qui donne un coup de fouet à la mise sur le marché de cellules solaires à haut rendement. Grâce à sa capacité à traduire les données issues des mesures microscopiques, un résonateur diélectrique pourrait être directement intégré dans les lignes de production photovoltaïque pour contrôler les processus de dépôt en couches minces», explique Kamel Haddadi. La plateforme micro-ondes multi-échelle avancée de MMAMA a également des répercussions sur les puces électroniques traditionnelles qui reposent sur des jonctions p-n, des interfaces entre les semi-conducteurs qui portent des charges positives et négatives. Grâce à l’intégration d’instruments, de logiciels et d’outils d’étalonnage et de modélisation, la nouvelle plateforme micro-ondes devrait permettre de mettre au point plus rapidement de nouveaux matériaux semi-conducteurs et nanodispositifs.

Mots‑clés

MMAMA, microscopie à micro-ondes, semi-conducteur, interface, cellules solaires, résonateur diélectrique, modélisation

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