Même s’il existe un vaste panel de DLC compte tenu des propriétés structurelles évoquées précédemment, il est cependant possible de présenter un certain nombre de propriétés communes. Ainsi comme sa dénomination l’indique, et malgré une forte dépendance aux paramètres utilisés lors de son élaboration, on retrouve un très grand nombre de propriétés partagées entre le DLC et le diamant.
En premier lieu, le DLC partage avec le diamant une dureté très élevée. Cette propriété est très fortement liée au taux de liaisons de sp3 et à la concentration en hydrogène. Les paramètres expérimentaux de croissance du DLC vont jouer un grand rôle dans le contrôle des propriétés mécaniques du matériau [25-27]. Globalement, on peut montrer que plus le taux de liaisons sp3 est élevé, plus la densité du matériau approche celle du diamant, entrainant alors des propriétés très proches de celui-ci (Fig. I.7). La présence d’hydrogène entraine une réduction de la densité contribuant ainsi à l’obtention d’un matériau de dureté réduite. Grâce à ses propriétés mécaniques, le DLC est souvent utilisé comme revêtement de protection pour les outils de coupe ou comme revêtement anti-usure sur des pièces tournantes ou glissantes (têtes de lecture de disques durs, forets, lame de rasoir…).
28 Le DLC tout le comme le diamant possède une excellente inertie chimique. Il s’agit également d’un matériau biocompatible [29,30]. Son utilisation dans le domaine biomédical, (intégration in-vivo ou encore comme revêtements protecteurs pour les applications biologiques) est de nos jours relativement développée. Grâce à sa biocompatibilité combinée à ses propriétés de dureté mécanique, on retrouve par exemple le DLC comme revêtement protectif sur les prothèses de hanche.
Le DLC possède également des propriétés optiques très intéressantes. De par sa parenté avec le diamant, le DLC déposé en films minces possède une très bonne transparence dans le domaine du visible. Cette propriété est cependant conditionnée par les propriétés intrinsèques de la couche mince et notamment le taux de liaisons sp2 et sp3 [31-33]. Il existe peu d’études liant directement la transmittance de la couche au rapport sp3/sp² dans la couche. La figure I.8 montre par exemple, l’impact de la pression résiduelle pendant le processus de dépôt sur la transparence d’un DLC obtenu par pulvérisation par magnétron à courant continu. Il est important de préciser ici que le gap optique (voir II.3.5.1.) du DLC est différent de celui du diamant et qu’il dépend également fortement du rapport de liaisons sp2/sp3.
29 Notons également que le second point influant fortement et logiquement sur la transparence du DLC est l’épaisseur de la couche formée. En outre, on observe pour tous les DLC une transmittance plus importante vers le proche infrarouge et dans l’infrarouge. Cependant, une des spécificités du DLC par rapport au diamant est la très faible transparence dans le domaine ultra-violet. Ce phénomène s’observe également en considérant le coefficient d’extinction k qui décroit avec l’augmentation de la longueur d’onde. Ce paramètre optique est relativement élevé dans le domaine ultra-violet pour le DLC, indiquant une très forte opacité à partir de 300 nm généralement. Cependant, l’indice de réfraction n du DLC est fortement dépendant de sa structure et donc de son procédé d’élaboration [34,35]. On observe (Fig. I.9) l’influence de l’énergie cinétique des ions carbone sur les indices n et k du DLC [34]. On constate une augmentation significative du coefficient d’extinction aux basses et aux hautes énergies. Il existe donc un optimum permettant l’obtention d’un indice k faible suggérant un DLC avec une transparence optimale. Considérant ainsi l’opacité du DLC dans le domaine de l’ultra-violet, on peut donc en déduire qu’un film mince de DLC absorbe cette lumière dans les toutes premières couches atomiques.
Figure I.8 : Transparence du DLC en fonction de la pression résiduelle d’argon lors de son élaboration par pulvérisation par magnétron à courant continu [31].
30 Les différentes techniques de synthèse ainsi que les paramètres expérimentaux utilisés jouent un rôle très important sur ses propriétés électriques. Il peut aussi bien se comporter comme un semi-métal, un semi-conducteur ou encore un parfait isolant [33]. Il existe des procédés intégrant du métal (en faible quantité) dans le DLC, conférant alors des propriétés semi-métalliques au film formé, dans le but d’obtenir une résistivité assez faible [36]. D’autre part, le DLC peut également être utilisé comme semi-conducteur. C’est notamment le cas pour les films intégrant de l’azote [37]. Enfin, dans la plupart des cas et notamment pour les DLC de forte densité et à faible teneur en hydrogène, il devient un fort isolant électrique. Il est possible d’obtenir des valeurs de résistivité pouvant atteindre les 1016 Ωcm [33,38]. Cette propriété est fortement liée à sa parenté avec le diamant. On peut ainsi résumer que plus le taux de liaisons sp3 va être élevé, plus le DLC sera un parfait isolant.
Pour conclure sur les propriétés générales du DLC, on peut mettre en évidence le caractère transparent dans le domaine visible combiné à une opacité dans l’ultraviolet. Cette propriété permet d’envisager des traitements laser ultra-violet n’influant que au niveau de la surface. Ce traitement laser pourrait permettre de modifier la structure atomique du DLC en surface dans le but de la graphitiser et d’y apporter la conductivité recherchée.
Figure I.9: Influence de l’énergie cinétique des ions carbone lors de la croissance des couches de DLC sur les indices optiques n et k [34].
31 I.2.1.1.4. Cas particulier de la croissance par PLD
Le DLC obtenu par ablation laser pulsée est un DLC non hydrogéné dont les proportions de liaisons sp3 et sp2 vont très fortement dépendre des paramètres utilisés lors du dépôt. En effet, cette technique s’appuie sur l’irradiation d’une cible de graphite par un laser de forte puissance. Classiquement, les dépôts se font sous ultravide et à température ambiante. Ainsi, le film de DLC formé contiendra uniquement du carbone. Il n’intègre ni hydrogène, ni oxygène ou autres impuretés (autres que celles associées à la contamination de surface).
La croissance du DLC par PLD va suivre une évolution fortement dépendante des espèces contenues dans le plasma formé par l’irradiation de la cible mais également de l’énergie cinétique de ces espèces atteignant le substrat. Dans le cas de la PLD, ces énergies peuvent s’étendre de quelques eV à plusieurs centaines d’eV [39,40]. L’énergie de ces espèces présentes dans le plasma va principalement dépendre de l’énergie surfacique d’irradiation de la cible. Plus cette énergie (plus communément nommée fluence) est importante, plus l’énergie des ions de carbone arrivant sur le substrat va être élevée. En fonction de la gamme d’énergie de ces espèces, différentes liaisons vont être formées. Dans une gamme d’énergie optimale (Fig. I.10), ce sont majoritairement des liaisons sp3 qui sont formées. Cependant, il est important de noter que pour des énergies plus élevées, les ions arrivant sur le substrat auront un effet destructif sur le DLC. En effet, à forte énergie, on observe un effet de bombardement ionique associé à une destruction des couches de DLC et un appauvrissement en liaisons sp3.
32 De plus, les paramètres lasers comme la longueur d’onde, l’énergie ou encore la durée d’impulsion vont également fortement conditionner les espèces présentes dans le plasma et donc directement celles arrivant sur le substrat qui forment la couche. Il a notamment été montré [40-42] que pour des longueurs d’onde très courtes (dans l’ultra-violet profond), le plasma contient majoritairement (voir uniquement) des ions monoatomiques (C+). On observe un phénomène identique avec l’énergie surfacique à l’impact sur la cible. Plus l’énergie est élevée plus on retrouve des ions C+ dans le plasma [41]. En fonction de la composition du plasma et notamment si ce dernier contient majoritairement des ions monoatomiques, la formation des liaisons sp3 sera favorisée. Avec des plasmas obtenus à des longueurs d’onde égales et supérieures à 248 nm, les clusters atomiques seront bien plus grands (C3+, C5+, C7+…) [40]. Ces derniers arrivant sur le substrat formeront plutôt des liaisons sp² entrainant ainsi la formation de DLC dont les propriétés s’éloignent de celles du diamant.
Ainsi, les DLC formés par PLD peuvent atteindre de très fortes densités associées à des taux de liaisons sp3 très élevés [20] ne contenant ni hydrogène, ni oxygène. De plus, la possibilité de contrôler les paramètres du procédé tel que le choix de la longueur d’onde du laser et/ou la fluence permet d’envisager la formation d’un vaste panel de DLC. C’est notamment la formation de DLC les plus proches du diamant (en terme de densité, de transparence et d’isolation électrique) qui semble particulièrement intéressante en plus de la pureté et de l’absence d’hydrogène dans le film déposé.