Objectifs du traitement laser sur les couches de DLC

L’objectif de cette étude est la synthèse d’électrodes transparentes, c’est-à-dire un matériau possédant une très grande transparence (principalement dans le domaine du visible) et capable de conduire le courant. Or l’approche basée sur le DLC déposé par PLD permet de satisfaire le critère de transparence. Le DLC est composé d’un mélange de liaisons atomiques sp3 (type diamant) et de liaisons sp2 (type graphite) réparties de manière quasi-homogène. La présence en grand nombre des liaisons de type diamant lui confère une forte isolation électrique. La nécessité d’apporter de la conductivité conduit alors à devoir modifier la structure du DLC afin de l’enrichir localement en liaisons sp². Ces liaisons possèdent les propriétés du graphite et sont donc synonyme de conductivité pour le matériau.

Le but principal du traitement laser du DLC est de réorganiser les liaisons sp3 présentes à la surface de la matière en liaisons sp2. L’utilisation d’un laser dans le domaine UV permet de traiter le matériau à sa surface. En effet, le DLC bénéficiant d’une relative grande opacité dans l’UV, l’énergie du faisceau laser sera donc majoritairement absorbée en surface, apportant ainsi la conductivité nécessaire à la réalisation de l’électrode, tout en conservant une transparence suffisante.

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II.2.1.3. État de l’art

Dans la littérature, de très nombreuses publications traitent du DLC et des propriétés de celui-ci. Cependant, les études portant sur le traitement laser de celui-ci sont plutôt rares. On retrouve notamment quelques articles traitant d’un procédé laser appliqué au DLC dans l’objectif d’en structurer la surface [56,57]. Ces quelques études montrent l’impact de tirs lasers à haute énergie sur la surface du DLC. On note majoritairement l’apparition de cratères lors de l’impact d’une source laser avec la surface. Il est aussi important de préciser qu’une graphitisation de la couche est généralement observée.

Cependant, pour la plupart des traitements appliqués aux couches de DLC, un laser infrarouge ou visible est utilisé. Une étude complète [99] montre par exemple, l’impact de la durée d’impulsion et de la longueur d’onde utilisée lors du traitement. En fonction de cette durée d’impulsion (fs, ps et ns), les effets sur le matériau vont être très différents, allant de la graphitisation à la destruction complète de la couche. Il est également remarqué, que plus la durée d’impulsion augmente, plus la valeur de fluence du seuil d’ablation augmente. Cette étude s’appuie sur l’utilisation de lasers dont les longueurs d’onde sont dans l’infra-rouge et le visible (de 539 à 1078 nm). Elle n’est donc pas directement comparable au procédé que nous utilisons avec notre laser ultraviolet. Les propriétés optiques du DLC ne sont pas du tout les mêmes dans l’infra-rouge et dans l’ultraviolet, principalement au niveau de l’absorption de la lumière conduisant à une réaction très différente (conduction thermique, échauffement, extension de la zone affectée thermiquement, modification de la structure…). Cependant, il est intéressant de relever l’impact de l’énergie laser sur la structure et de noter l’existence d’un seuil d’énergie E entre une probable graphitisation de la couche (aux environs de 0,15 J/cm²) et sa délamination (E > 0,2 J/cm²), son évaporation (E > 0,4 J/cm²) ou sa destruction.

Figure II.12: Effet d’un traitement laser (539 nm – 220 ps) sur une couche de DLC en fonction de l’énergie du faisceau [99].

88 D’autre part, il a aussi été démontré la possibilité de réaliser des conducteurs transparents à base de films minces de DLC [58]. Néanmoins, dans cette étude, le laser employé pour le traitement est un laser infrarouge (1070 nm) continu d’une puissance de 2 kW. Une résistance de surface de 2050 Ω□ est obtenue pour une transparence approchant les 80 % dans le domaine visible pour des surfaces de 15 x 15 mm² (traitement par balayage). Il s’agit de l’étude s’approchant le plus de l’objectif de ce travail. Cependant, cette étude utilise des films épais de DLC (510 nm) et la graphitisation se produit dans l’ensemble de la couche. Le DLC étant relativement transparent dans l’infrarouge, le faisceau laser de forte puissance traite toute l’épaisseur de la couche de façon similaire. Sur la figure II.13, on observe à gauche le DLC (510 nm) après dépôt et à droite ce même DLC après traitement.

L’utilisation d’un laser UV tire profit des propriétés optiques des matériaux dans cette gamme de longueurs d’onde. C’est principalement son opacité qui est intéressante car elle va garantir une absorption de l’énergie du faisceau uniquement en surface induisant de ce fait des modifications locales et ce, sans affecter l’ensemble de la structure ou encore le substrat. Cependant, très peu d’études [57,100] et d’expérimentations montrent les effets d’un traitement laser UV sur une couche de DLC. On retrouve principalement un article [100] traitant de la création de contacts électriques sur des couches de diamants (obtenues par CVD) par laser excimère ArF (193 nm – 20 ns). Il y est montré que le traitement laser provoque la formation de zones graphitiques de forte rugosité et présentant une résistivité compatible (proche de celle du graphite naturel) avec la réalisation de structures conductrices (4,0 x 10-3

Ω.cm). Cependant, l’étude présente des niveaux de densité d’énergies de traitement très élevés (7 J/cm²), et aucune information sur la transparence du contact n’est donnée.

Figure II.13: Électrodes transparentes réalisées par traitement laser infrarouge d’une couche de 510 nm de DLC (à gauche avant traitement, à droite après traitement) [58].

89 Le peu de références de la littérature sur le traitement laser par excimère UV des couches de DLC obtenues par ablation laser nous conduit donc à adopter une approche fortement expérimentale. Cependant, certains comportements mis en évidence avec des traitements lasers aux paramètres approchants nos conditions expérimentales permettent de guider les choix effectués (notamment en terme de seuils d’énergies).