Chapitre IV : Etude des impacts obtenus à la surface d’un matériau massif, en couche mince IV. 8 – Impact sur une surface nano-structurée Nous avons vu que la taille d’impact est définie par la densité de charges déposées dans le pied d’arc sur la surface et que la taille minimale accessible est de ~ 5 µm. Cette taille est définie par le diamètre minimal du canal de plasma dans le liquide. Le but de cette partie est de créer des impacts sub-micrométriques en utilisant une surface couverte par un tapis de nanotubes de carbone (NTCs). En effet, le diamètre des NTCs synthétisés variant entre 10 et 50 nm (voir chapitre II), on peut espérer que le courant sera transmis plus efficacement par les nanotubes jusqu’à la surface pour créer un impact de plus petite dimension. La figure IV.19 représente l’évolution du courant électrique sur un substrat de silicium et sur un substrat de silicium couvert par des NTCs dans des conditions de distance interélectrodes et de tension identiques. Figure IV.19 : Courants électriques caractéristiques de 5 essais successifs lors de décharges sur silicium et sur NTCs déposés sur silicium pour des conditionsde distance interélectrodes et de tension identiques. On notera que la reproductibilité des signaux est très satisfaisante. Figures IV.20 a et b, nous présentons l’état de la surface après plusieurs décharges successives. Celle-ci est couverte d’impacts qui ont une distribution de tailles centrée autour de 1 µm. Figure IV.20 : Impacts caractéristiques obtenus sur la surface de silicium après plusieurs décharges successives sur les NTCs déposés sur silicium. 240 260 280 300 320 340 360 380 -20 0 20 40 60 80 100 Courant (A ) Temps (ns) 1 2 3 4 5 260 280 300 320 340 360 380 400 -10 0 10 20 30 40 50 Courant (A ) Temps (ns) 1 2 3 4 5 Décharge sur Si Décharge sur NTCs 140 Figure IV.20 c, l’effet d’une décharge unique est illustré. En effet, la couche de NTCs est arrachée de la surface (diamètre ~5 µm) laissant en dessous des impacts caractéristiques de diamètres environ 1 µm. Par la suite, nous discuterons des processus physiques conduisant à la formation d’un impact ainsi que du devenir des NTCs arrachés de la surface. Les impacts obtenus sur silicium couvert par des NTCs ont une taille 5 fois plus petite que ceux obtenus sur un substrat de Si (voir fig. IV.8 a) dans les mêmes conditions de claquage. D’autre part, le courant qui passe lors d’une décharge sur NTCs est 2 fois plus petit sur silicium (Si → ~ 90 A et NTCs → ~ 45 A). Ceci conduit à une densité de courant 12,5 fois plus grande dans le cas des NTCs (Si → ~3,6×1012 A m‾2 et NTCs → ~4,5×1013 A m‾2). D’après le théorème d'Ampère, cela signifie simplement que le champ magnétique induit par le courant à travers le substrat augmente dans la même proportion. Il est connu que le silicium liquide peut être agité magnétiquement. Par conséquent, la zone du substrat fondue par le canal de décharge tourne sous l’effet du champ magnétique dans le sens antihoraire. Les impacts présentés figure IV.21 confirment ce mouvement de rotation. Figure IV.21 : Caractéristiques d’un impact obtenu sur NTCs déposés sur Si : rotation du motif dans le sens antihoraire et apparition de canaux terminés par une nanoparticule. Un deuxième phénomène spécifique qui est observé lors d’une décharge sur des NTCs, est l’apparition de canaux autour et partant de l’impact et orientés vers l’extérieur selon une trajectoire aléatoire. Ces canaux sont souvent terminés par une nanoparticule (fig. IV.21 b). Un scénario possible relatif à la formation des canaux autour de l’impact est le suivant. Une nanoparticule synthétisée dans le plasma tombe à haute température sur la surface du silicium. L’énergie cinétique permet à la particule de décrire un mouvement aléatoire sur la surface qu’elle fond lors de ce transport de sorte qu’elle adopte une structure cœur (carbone ou platine) – coquille (silicium). Après refroidissement on retrouve le canal (correspondant au chemin parcouru) et la particule à la fin du canal. Ce scénario est en partie justifié par une analyse en composition chimique de l’extrême surface par Nano-SIMS (fig. IV.22). nanoparticules Sens de rotation Canal Sens de rotation Canal AFM MEB MEB a b c 141 Figure IV.22 : Composition chimique de l’extrême surface obtenue par nano-SIMS montrant que la nanoparticule à la fin du canal est carbonée. En effet, on observe que la particule à la fin du canal contient essentiellement du silicium et du carbone. Le carbone peut avoir deux origines différentes : il est issu soit i) de la synthèse de nanoparticules lors de la dégradation de l’heptane soit ii) des NTCs eux-mêmes, qui viendraient à être transformés par le plasma en nanoparticules. Intéressons-nous maintenant au devenir des NTCs après la décharge. En évaporant l’heptane, on peut recueillir sur une grille de MET disposée sur le silicium, les NTCs pour analyse. Figure IV.23 : Etat des NTCs après décharge : les NTCs sont enrobés par une couche de carbone amorphe dans laquelle des nanoparticules de Pt sont détectées. Figure IV.23, nous présentons des images MEB des NTCs collectés après décharge sur un substrat de silicium (fig. IV.23 a), sur une grille de MET (fig. IV.23 b) et une image MET d’un nanotube unique (fig. IV.23 c). Les analyses par MET montrent qu'après décharge, une couche de carbone amorphe est présente autour des nanotubes. Des nanoparticules de platine, provenant de l’anode, sont aussi visibles, incorporées dans la couche de carbone amorphe. La présence de NTCs, qui agissent comme de simples conducteurs de courant, modifie fortement l’allure des impacts, et tout se passe comme si les NTCs focalisaient le courant sur une plus petite surface. Cela nous a permis de montrer, une fois encore, que la charge C - O Si - O C - Si a b c NTC C-amorphe 142 électrique joue un rôle essentiel sur la taille et la morphologie des impacts. Nous avons vu également que si la taille des impacts devient sub-micrométrique, l’effet magnétique (dû au courant de décharge) commence à jouer un rôle sur la morphologie des impacts. Dans le document Microdécharges dans l'heptane liquide : caractérisation et applications au traitement local des matériaux et à la synthèse de nanomatéraux (Page 141-144)
