orientés
5.1. Introduction
Depuis les années 90, le développement des ordinateurs et de la téléphonie mobile s’est accéléré de manière importante. Au travers de ces avancés, les surfaces transparentes et conductrices ont connu un essor particulier dû à la production, sans cesse croissante, de télévisions à écran plat, de téléphones portables, d’écrans tactiles de diodes électroluminescentes organiques et de panneaux photovoltaïques. Plus de 90% des surfaces conductrices et transparentes commercialisées sont aujourd’hui basées sur l’Oxyde d’Etain dopé à l’Indium (ITO).184 Bien qu’aujourd’hui ce matériau
soit incontournable sur le marché, les prévisions sur 10 ans montrent que cette tendance va décroître, avec pour cause l’utilisation plus importante d’alternative à l’ITO qui pallie aux désavantages de ce matériau.
5.1.1. Surface transparente et conductrice
L’ITO est un matériau céramique qui peut facilement casser sous contrainte mécanique. Cependant les perspectives d’applications pour les matériaux conducteurs s’orientent vers des matériaux flexibles. De plus l’ITO est très couteux et précieux. Les ressources d’Indium représentent 0,05 partie par millions des ressources lithosphèriques40, et le coût de production de surface d’ITO vient principalement de la
méthode d’élaboration. En effet ces surfaces sont réalisées par dépôt physique en phase vapeur qui est un procédé lent et sous vide durant lequel plus de 70% de l’ITO est perdu dans la chambre de dépôt et doit être recyclé. Le cahier des charges pour les matériaux envisagés pour remplacer l’ITO implique que ces matériaux doivent être
moins couteux, flexible et doivent avoir des performances en tant que matériaux conducteurs compétitifs avec celles de l’ITO.
Différents matériaux ont été envisagés pour remplacer l’ITO ; surface fonctionnalisée avec un mélange de PSS et de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT),185 des surfaces fonctionnalisées avec du graphène,186 des nanotubes de
carbones (NTC),187 et des nanofils de cuivre188 et d’argent189. L’ensemble de ces
candidats sont facile à élaborer, peu coûteux et permettent de réaliser des surfaces flexibles.
Pour être compétitif, un matériau transparent conducteur doit avoir des valeurs de transmittance les plus élevées possibles, pour une résistance de surface la plus faible possible. On représente généralement les performances des films conducteurs et transparents sous la forme d’un graphique qui présente la transmittance optique d’un matériau en fonction de sa résistance électrique de surface.(Figure 123)
Figure 123 : Graphique représentant les différentes performances de différents
matériaux utilisés pour réaliser des matériaux transparents et conducteurs.40
Les performances de l’ITO (50 Ω/sq pour 95%T et 10 Ω/sq pour 90%T) ne sont pas atteint pour l’ensemble des matériaux envisagés. En effet, les structures composées de graphène, de PEDOT:PSS ont en général au moins un ordre de grandeur de différence dans les valeurs de résistance de surface pour des valeurs semblables de transmittance. Seuls les matériaux nanométriques (nanotubes de carbone, nanofils de cuivre et d’argent), sont compétitifs avec l’ITO. Les nanofils de cuivre et les nanotubes
de carbone ont cependant des valeurs inférieures à celle de l’ITO. Seuls les nanofils d’argent permettent d’obtenir des performances, pour les matériaux conducteurs et transparents, meilleures que celle de l’ITO. Aujourd’hui les films de nanofils d’argent représentent la meilleure alternative à l’ITO grâce à leurs élaborations peu coûteuses et ne nécessitant pas de procédés importants.
Figure 124 : (a) Dépôt de nanofils d’argent utilisé comme films transparents et
conducteurs (b) Surface flexible de Poly (téréphtalate d'éthylène) (PET) fonctionnalisée avec un dépôt de nanofils d’argent.190
Les nanofils d’argent sont réalisés généralement par voie chimique124,191 et les
méthodes d’élaboration de films demandent peu de moyen. En effet les dépôts de nanofils d’argent se réalisent généralement par évaporation192,193 ou par
pulvérisation61,194 et permettent de définir un réseau de nanofils d’argent permettant à
une surface ainsi fonctionnalisée d’être conductrice.63,195 Des surfaces de poly
(diméthylsiloxane) (PDMS) sont parfois utilisées dans l’élaboration de surfaces conductrices composées de nanofils d’argent. Ces surfaces sont flexibles et étirables. Elles peuvent être utilisées pour transférer un dépôt de nanofils d’argent à la manière d’un tampon192ou comme matrice du réseau de nanofils d’argent.193
Les surfaces composées d’un réseau de nanofils d’argent font l’objet d’un effort de recherche particulier ces dix dernières années.40,195,196Les dépôts de nanofils d’argent
forment des réseaux dont la percolation permet de faire passer un courant sur de grandes distances. Dans notre cas la percolation traduit l’aptitude d’un dépôt de nanofils d’argent à pouvoir faire passer le courant sur une distance macroscopique à l’aide des jonctions entre les différents nanofils.
Des études ont prouvées que leurs utilisations à la place de l’ITO en tant que surface conductrice et transparente permettent d’obtenir des performances égales
voire meilleures. De nombreuses études sont menées pour améliorer les propriétés conductrices des dépôts de nanofils d’argent en prévenant leurs oxydations, en améliorant leurs résistances aux contraintes mécaniques et en améliorant leurs intégrations dans des dispositifs. Les applications multiples ou les surfaces transparentes et conductrices sont nécessaires représentent des enjeux importants pour les années à venir.
5.1.2. Applications
Le fait de pouvoir utiliser les nanofils d’argent comme films conducteurs transparents et flexibles, permet de rendre des surfaces conductrices en préservant leur transparence et leur flexibilité. Ces propriétés sont particulièrement prisées dans l’élaboration de surfaces tactiles flexibles innovantes.(Figure 125(a))
Les dépôts de nanofils d’argent font l’objet d’étude pour le développement d’énergies renouvellables.197,198 Leur utilisation permet de remplacer l’ITO dans la
réalisation des électrodes des systèmes photovoltaïques.(Figure 125(b)) Bien que la
transparence soit une des propriétés nécessaires pour ce genre de structure, il a été prouvé que les structures ayant un certain trouble optique améliorent la performance de ces cellules photovoltaïques.199 Le trouble optique correspond à la proportion de
diffusion sur l’ensemble de la lumière transmise par un milieu. Le fait que le trouble optique soit plus important permet une conversion plus importante de la lumière atteignant la structure.
Les nanofils d’argent sont aussi utilisés pour remplacer l’ITO dans la réalisation des vitrages chauffants.200,201 Ces dispositifs permettent de chauffer une surface
transparente en appliquant une tension à un film conducteur qui produira ainsi de la chaleur. Ces matériaux sont utilisés pour réaliser des vitres avec un système de désembuage(Figure 125(d) ou de dégivrage(Figure 125(c)dans l’automobile et l’aéronautique.
Les films composés de réseaux de nanofils d’argent sont utilisés dans le cadre des écrans tactiles. En effet, leurs utilisations permettent de préserver la transparence des surfaces et de conduire le courant. Des études ont permis de mettre en évidence que l’élaboration d’écrans tactiles contenant des nanofils d’argent à la place de l’ITO était