HAL Id: jpa-00207263
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Submitted on 1 Jan 1972
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Forces d’interaction dipolaires capables de provoquer la migration des grains d’une couche métallique très mince
déposée par évaporation thermique
G. Desrousseaux
To cite this version:
G. Desrousseaux. Forces d’interaction dipolaires capables de provoquer la migration des grains d’une
couche métallique très mince déposée par évaporation thermique. Journal de Physique, 1972, 33 (4),
pp.401-406. �10.1051/jphys:01972003304040100�. �jpa-00207263�
FORCES D’INTERACTION DIPOLAIRES CAPABLES DE PROVOQUER
LA MIGRATION DES GRAINS D’UNE COUCHE MÉTALLIQUE TRÈS MINCE
DÉPOSÉE PAR ÉVAPORATION THERMIQUE
G. DESROUSSEAUX
Centre d’Etude des couches
minces,
laboratoired’Electrotechnique
Université de
Provence,
Centre deSaint-Jérôme, 13, Marseille,
13e(Reçu
le 26juin 1971,
révisé le 27 octobre1971)
Résumé. 2014 Au cours de leur
préparation,
les couchesmétalliques déposées
parévaporation thermique,
sont soumises auchamp électromagnétique incident,
émis par le creuset, et auchamp
fluctuant. Ces
champs
induisent danschaque grain
et ceux de sonvoisinage
un même momentdipolaire
instantané. Il en résulte une force d’interaction entre cesdipôles
induits.Chaque grain
setrouve ainsi
soumis,
de la part de sesvoisins,
à une force résultante dont nous proposons uneexpression approchée
en tenant compte de la limitation du libre parcours moyen des électrons de conduction par les dimensions dugrain.
Uneapplication numérique
montre que ces forces peuvent être suffisantes pour provoquer ledéplacement
desgrains.
Abstract. 2014
During
theirpreparation,
themetal layers deposited by
thermieevaporation
aresubmitted to the incident
electromagnetic
field emittedby
the crucible and to thefluctuating
field.These fields induce into every
grain
as well as into itsneighbouring grains
the same instantaneousdipolar
moment. An interaction between these induceddipoles
results.Every grain
is thus sub-mitted,
to a resultant force due to itsneighbours ;
anapproximate expression
of this force is pro-posed by taking
into account the limitation of the mean freepath
of conduction electronsby
thedimensions of
grain.
A numericalapplication
shows that these forces can be sufflcient totrigger
theshift of
grains.
Classification : Physics Abstracts
16.23
1. Introduction. - Les couches minces de certains métaux tels que
l’argent, l’or,
le cuivreévaporés puis
condensés sur des
grilles
demicroscopie électronique
recouvertes de carbone
(ou
de melinex ou deformwar) présentent
une structuregranulaire lorsque
le volumede métal par unité de
surface, d,
reste inférieur à 5 mp environ. Suivant la vitessed’évaporation,
la nature etla
température
dusubstrat, l’épaisseur
des couchesdéposées,
lesgrains peuvent
avoir des diamètrescompris
entre 4 et 50 mg. Ces diamètres très inférieursau libre parcours moyen des électrons de conduction dans le métal
massif,
nous conduisent à tenircompte
de cette limitation du mouvement de ces électrons[4]
pour le calcul de la
polarisabilité
desgrains.
Comme
Knight
et Jha[1],
nous considérons que l’évolution de la structure de la couche se fait de deux manières différentes. D’unepart,
desgrains
immobiles
parviennent
à se toucheraprès grossisse-
ment à
partir
d’adatomes et des atomes incidents.C’est la coalescence
statique.
D’autrepart,
lesgrains
effectuent une
migration
et de cette manièreparvien-
nent au contact l’un de l’autre. L’existence de cette coalescence
dynamique
a été montrée durant la pro-jection,
par l’observation in situ de J. F. Pocza[2]
entre autres. La
migration
desgrains après
arrêt de laprojection
a étéégalement prouvée
par lesexpériences
de A.
Masson,
J. J. Metois et R. Kern[3].
Nous essayons ici de voir si
parmi
les forcesagissant parallèlement
ausupport,
celles résultant d’une interac- tiondipolaire
entre lesgrains
nepourraient
pasexpli-
quer
partiellement
ce mouvement. Nous assimilons pour cela la couchegranulaire
à un ensemble bidi-mensionnel
d’ellipsoïdes
de révolution autour d’un axenormal au
plan
dusupport.
Cesellipsoïdes
seront ainsientièrement caractérisés
lorsqu’on
auradéterminé ail
et le
rapport
y =allla,.
Ondésigne
icipar ail
et al lesaxes
respectivement parallèle
etperpendiculaire
auplan
dusupport.
Lors de la
projection, lorsque
la couchereçoit
les radiations émises par le creuset, celle-ci est soumise àun
champ électromagnétique
incident. Il en estégale-
ment ainsi
lorsque
la couche est éclairée par unesource auxiliaire.
Après
arrêt de laprojection,
cettecouche demeure le
siège
d’unchamp électromagné- tique fluctuant,
maintenant dans les interstices unedensité
énergétique
w. Pour une valeur efficaceEy
de lacomposante électrique
defréquence
v, on a, pour unetempérature
absolue T de la coucheL’incohérence de ce
champ permet
de considérer que toutes les directions durepère
orthonormé(ui,
u2,U3)
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01972003304040100
402
d’un espace tridimensionnel sont
équiprobables,
cequi
s’écrit :
U3
désignant
le vecteur unitaire de la normale auplan
du
support.
Dans ces deux cas, le
champ électrique
induit danschaque
cristallite les momentsdipolaires
aij
est lacomposante
du tenseur depolarisabilité
don-nant le moment
dipolaire
induit dans la direction u;, par le seulchamp électrique
instantanéEj
de directionuj.
La distance entre les
grains
et leurs dimensions étant du même ordre degrandeur,
nous considérons que, dans chacune de cesdirections,
les momentsdipolaires
sont vectoriellement
égaux
d’ungrain
à l’autre. Cettehypothèse
sejustifie lorsqu’on
tientcompte
du fait queces dimensions sont
petites
devant leslongueurs
d’onde pour toutes les
composantes spectrales
deschamps polarisants.
Ceci est vrai aussi bien pour latempérature
quepeut
atteindre la couche que pour celle des sources derayonnement.
Nous supposons,en outre,
qu’au
sein d’une même couche lesgrains ellipsoïdaux
sont sensiblementhomothétiques
et que,sauf en de rares endroits très
disséminés,
leur volume varie peu autour d’une valeur moyenne.Dans le cadre de ces
approximations,
nous étudionsla force d’interaction entre deux
grains, puis
la résul-tante de celles exercées sur un
grain. Compte
tenu d’uneévaluation
préalable
de la contributionapportée
àcette force par les
grains
situés hors duvoisinage
immé-diat de l’un
d’eux,
nous nous limiterons pour le calcul de cette résultante à l’action exercée par lesgrains
lesplus proches.
Desapplications numériques
serontfaites dans le cas des couches
d’argent,
mais iln’y
aaucune
raison, a priori,
pour limiter à cemétal l’appli-
cation des
expressions
établies. Le choix du carbonecomme substrat
amorphe
n’a pas nonplus
de caractère limitatif.II. Force
agissant
sur ungrain
d’une couche soumiseau seul
champ
fluctuant. - II.1 FORCE D’INTERAC-TION ENTRE DEUX GRAINS
G.
ETGn.
-L’expression générale
du tenseur depolarisabilité
est :V est le volume du
grain
etag
sapermittivité
relativecomplexe [4].
En raison de la limitation du libre parcours moyen 1 des électrons de conduction par les dimensions dugrain,
nous écrirons :en
prenant
pourtemps
de relaxation de ces électrons{
L’indice oo est relatif au métalmassif { L’indice g est relatif au grain
ai étant la dimension du
grain
dans la direction u,.Compte
tenu deshypothèses précédentes
et desnotations de la
figure 1,
les tenseurs du secondordre
et
Pij
se réduisent à leurs valeursprincipales [5], [6], [7]
qui,
pour : :FIG. 1. - Représentation de deux grains voisins et de leur image électrique. Les flèches représentent les moments dipolaires que le
champ électromagnétique fluctuant induit dans les directions u 1
et U3. En raison de l’équipartition de l’énergie électromagnétique,
ces moments seront maximaux dans la direction où le grain aura
la plus forte polarisabilité.
d est ici le volume de métal par unité de surface du substrat. 1 est
théoriquement [8]
le rayon du cercle limitant intérieurement la couche autour d’un de sesgrains.
Le restant de la couche est alorssupposé
uni-formément
polarisé
avec une densitésuperficielle
a d E. Pratiquement,
nous pouvons assimiler 1 à la distanceY
moyenne du centre d’ungrain
à celui de sesplus proches
voisins(Fig. 1).
La
diagonale f11, f22, f33
du tenseurfi;
dans unsystème
d’axes confondus avec ceux del’ellipsoïde,
caractérise
complètement
la forme de ce dernier. Lavaleur fii
est d’autantplus grande
quel’axe ai
estplus
petit
devant les deux autres. On vérifie pour un tel choixdu
repère : Xlii
= 1 etici,
pour desellipsoïdes
derévolution
aplatis
suivant l’axe U3 :On aura à la limite pour des
grains sphériques
fij
ll= fl = 1/3
et pour desdisques fll =
0 etfl
= 1.Entre ces
limites,
on atoujours fll, 1/3 et fl
>t.
La
diagonale
oll, P22, P33 du tenseur Pijpermet
dans ce mêmesystème
d’axes de tenir entièrementcompte
duchamp
que créent suivant les trois axesd’un
ellipsoïde,
les momentsdipolaires apparaissant
dans les autres
grains
suivant ces trois directions. En effet Pl1 = P22 =P = - d/2l représente
l’influence duchamp
que crée une couche dedipôles parallèles
au
plan
dusupport,
tandis que P33 = Pl.représente
celle du
champ
créée par une couche dedipôles
perpen- diculaires à ceplan [8].
En
prenant
pourexpression
del’énergie
d’interac-tion
on obtient
pour un
champ polarisant E8
dans une directiond’angle polaire 8
parrapport
à laligne
d’interaction mn.Pour des substrats de
permittivité
notable dans larégion
où se situe l’essentiel de la densitéd’énergie électromagnétique
liée auchamp E,
il faut tenircompte
desimages électriques
desdipôles
induits par cechamp.
Or on sait que dans le cas de deux milieux formant un
dioptre plan,
lechamp électrique
d’unecharge
ponc- tuelle q 1 dans le milieu(1)
est influencé par le milieu(2).
Il se
comporte
alors comme si existait dans(2)
unecharge
q2symétrique
de ql parrapport
auplan
limiteet dont la valeur
algébrique s’exprime
parEn utilisant ce théorème des
images électriques,
onobtient pour les
composantes
normales ettangentielles
des
dipôles
du milieu(1),
lesimages représentées
dansle milieu
(2)
sur lafigure
1.En
considérant
que les milieux(1)
et(2)
sont ici levide et le
substrat,
nous écrirons pour lacomposante monochromatique E,
e. étant la
permittivité
relative du substrat.Pour tenir
compte
de cesimages,
nous devrions avecles notations de la
figure
1exprimer Fmn
par la relation vectorielleMais
compte
tenu de l’uniformitéapproximative
desgrains,
nous pouvons écrireet donc
Or pour une valeur donnée de v, nous avons
En
posant
et tenant
compte
de ce que1 relation
(11)
s’écrira404
FIG. 2. - Représentation idéalisée de la répartition autour
d’un grain Gm de ses N plus proches voisins Gn.
Le terme attractif
représente
l’interaction dedipôles parallèles
auplan
dusupport,
celuirépulsif
l’interaction dedipôles perpendiculaires.
II.2 FORCE AGISSANT SUR UN CRISTALLITE EN INTERACTION DIPOLAIRE AVEC LE RESTANT DE LA COUCHE. - Si nous calculons la résultante des forces exercées sur
G.
par les Ngrains G.
de sonvoisinage,
nous obtenons
[9]
Fm
j 13Fm = 1 - (13)
4 03C003B50
n=1rmn
En admettant
[9]
larépartition
desGn
autour desG.
représentée
sur lafigure 2,
nous obtenons en choisis-sant ul tel que
La
température peut
être extraite del’expression
sous lesigne
somme enposant x
=hv/kT.
On obtient alorsen
explicitant ail
et alSuivant la
prédominance
de 1 surII,
ou de II sur 1le
grain
aurait ainsi tendance àrejoindre
sonplus proche
voisin dans la direction de ul ou à s’enéloigner
pour se
placer
aubarycentre
de la distribution des Ngrains G.
de sonvoisinage
immédiat. En fait commenous allons le
voir,
pour ce modèled’ellipsoïdes aplatis,
la valeur du terme 1 est
prédominante.
En effet
fl,
+Pli
somme de deux termes designes opposés peut prendre
localement des valeurs trèspetites
alors quefl
variant entre le tiers etl’unité,
maintient la
somme fl
+ pl au-dessus de1/3.
Or aux
températures
quepeut
atteindre la couchedéposée,
la densitéd’énergie électromagnétique
serépartit
dans un domainespectral
oùBg
et ES sont trèsgrands
devant l’unité. Il s’en suit que lepremier
facteurde 1 tend vers
2(1 - fl)
tandis que ceux de II tendentrespectivement
vers2(1
+p)
et(f,
+P.1) - 2.
Lesecond facteur de
I,
ne pourra luiprendre
des valeursimportantes
que dans le cas où( fij
+Pli) (eg - 1)
est de l’ordre de l’unité ou lui est inférieur et dans celui où ce facteur est très
supérieur
à l’unité.Dans le
premier
de ces cas, il tend vers(e 9 - 1)2
etdans le deuxième vers
( fij
+PII)-2.
Dans ces deux cas,
compte
tenu de ce que 1- P
reste
généralement
de l’ordre de1/10,
onpeut,
dansl’expression
entreaccolades, négliger
le terme II devantle terme I. En dehors de ces deux cas, le calcul est sans
intérêt car il conduit à une force tout à fait
négligeable.
Lorsque (fll
+Pli) (eg
-1)
est de l’ordre de l’unitéou lui est
inférieur,
seulel’expression (16)
fournit pour cette force un ordre degrandeur
suffisamment appro- ché.Mais
lorsque (fil
+Pli) (e, - 1)
est trèssupérieur
à
1,
il estpossible
de sortir les termes 1 et II del’expres-
sion sous le
signe
somme. On obtient alorspuisque
Pour
permettre
de se rendrecompte
del’importance
d’une telle
approximation
et fournir l’ordre de gran- deur quepeut
atteindre une telleforce,
nous donnonsci-après
les résultats obtenus àpartir
des expres- sions(16)
et(18)
pour unexemple précis.
Les calculs sont faits pour une couche
d’argent déposée
parévaporation thermique
sous unepression
résiduelle
toujours
inférieure à10-’
torr. Le substrat était un film de carbone.L’aggrandissement photographique
d’une micro-graphie
apermis
de déterminer lesparamètres
néces-saires à ce calcul. Cette détermination a
exigé
deuxséries de moyennes
figurant respectivement
dans lescolonnes A et B. Celles de la colonne A
portent
sur l’ensemble de lacouche,
tandis que celles de la colonne B sont des moyenneslocales, prises
dans levoisinage
immédiat dugrain
soumis à la force F. Cettefaçon d’opérer
nous estimposée
par une double nécessité.D’une
part
leparamètre d
fait intervenir l’ensemble de la couche tandis queall,
al, 1 etAl/1
traduisentessentiellement l’influence du
voisinage
immédiat dugrain
soumis à F. D’autrepart,
il estimpossible
deréaliser une mesure directe de a,. La détermination se
fait
compte
tenu del’hypothèse
d’une homothétieapproximative
desgrains.
On recherche à cet effet surl’ensemble de la couche les valeurs moyennes
de ail
et du nombre N’ de
grains
par unité de surface. La relationpermet
alors le calcul d’une valeur moyenne de y =ali/al.’
Apartir
de la moyenne locale deall,
oncalculera ensuite celles de al,
puis
deV, de fll, et fl.
La moyenne locale de 1 fournira par ailleurs
pll
= -dl2
1 et pl =dll
dans cevoisinage
dugrain
soumis à F.
On obtient ainsi dans le
système
d’unité MKSA letableau
ci-après. (Il
convient de dire que legrain
surlequel portent
les calculs a été choisi dans une zone où la forceprend
une valeurparticulièrement importante.)
On trouve alors :
Pour
juger
del’importance
d’une telleforce,
onpeut
larapprocher
de celle trouvée par R. Faure et autres[11] pour
la force d’adhésion. Pour un diamètre de 4 mg, R. Faure trouve une force d’adhésion de 20N/m2,
cequi correspond
pour legrain
à une forcenormale au
support
F =75,4
x10- l’
N. Cette forceest bien de l’ordre de
grandeur
des forcesd’origine électromagnétique
que nous venons de calculer.III. Force résultant du
rayonnement
du creuset. -On
peut
considérer que dans ce cas la couche estirradiée sous une incidence normale et que la source est vue de
chaque grain
sous un mêmeangle
solide Q.On’obtient
alors en tenantcompte
de cequ’ici
au lieu de
T étant alors la
température
absolue de la source et6(T)
sonpouvoir
émissif total à cettetempérature.
Pour la couche
précédente
pourlaquelle l’argent
aété
évaporé
àpartir
d’un creuset enmolybdène
à1 250 OK
(métal
pourlequel
lepouvoir
émissif total406
à cette
température
est de0,127),
on trouve sachantque
Q = 2 X 10-2
steradian :L’écart accru entre les deux résultats
s’explique
par le fait que le domainespectral
où serépartit
le rayonne- ment se situe essentiellement entre leslongueurs
d’ondeÂ.
=1 u
etAAf
= 8 p.Or, près
duspectre visible, eg
estplus
faible de sorteque f
I +Pli
étant trèspetit
sera
plus
voisin de(eg - 1)
que deLa force reste encore
là,
suffisante pourjouer
son rôledans les
phénomènes
de coalescence.IV. Effet du
rayonnement
d’une source auxiliaireéclairant la couche. - La
possibilité
d’utiliser dans ce cas des sources àtempérature plus
élevée etd’augmen-
ter par ailleurs l’éclairement au moyen d’un conden- seur,
permet
d’atteindre deschamps
incidents nette-ment
plus
intenses. Lechamp électrique figurant
aucarré dans les
expressions
de cetteforce,
cette dernièrepeut
être alors nettementsupérieure.
De telles conditions se trouvent effectivement rem-
plies
dans lesexpériences
deKnight
et Jha[1].
La forceque fournit
l’expression (20)
semble bien alors suscep- tibled’expliquer,
tout au moinspartiellement,
lacoalescence
dynamique
observée par ces auteurs.V. Conclusion. - Il
semble,
à l’issue de cescalculs,
que l’évolution de la couche sous vide
pendant
la pro-jection
d’unepart, après
celle-ci d’autrepart, puisse s’expliquer partiellement
par des forcesd’origine dipo- laire,
lechamp électromagnétique
étant lechamp pola-
risant les
grains.
Certes d’autres forces
importantes peuvent
appa- raître dans certains cas. Ce seront, parexemple,
sous lefaisceau d’un
microscope électronique,
les forcesélectrostatiques
dues à lacharge
desgrains
par les élec- trons du faisceau[12], [13].
Mais il faut pour que lesgrains
conservent cescharges,
que le substrat soit suffisamment isolant. Des contraintesélastiques
ontégalement
un rôleimportant
dans les corpspartielle-
ment cristallisés. Mais il faut là encore que la taille et le nombre des cristaux ne soient pas
trop
faibles comme dans les solides dits« amorphes
». Les forcesdipo-
laires que créent le
champ
fluctuant et celui du rayon- nement incidentatteignent, elles,
pour ces substratsamorphes
des intensités suffisantes pourexpliquer
lacoalescence
dynamique
dans lesdépôts métalliques granulaires.
Tel est le cas des couches minces granu- lairesd’argent, d’or,
de cuivre...déposées
sur des filmsde carbone.
Le calcul
paraît
relativementcomplexe
mais dessimplifications importantes
sontpossibles
dans le casoù les
permittivités
du métaldéposé
et de son substratdeviennent très
grandes
dans le domainespectral
où serépartit
la densitéd’énergie électromagnétique.
Ces forces
agissent plus particulièrement
dans leszones où
apparaissent
desgrains plus petits
àplus
faible distance. Des variations
de fij et fl
difficilement accessibles à la mesurepeuvent également augmenter
ces forces. Leur
importance
devrait par ailleurs être fortement accrue pour desrapports A/// plus
voisin del’unité. Dans ce cas sortant du cadre des
hypothèses faites,
l’interaction entre les deuxgrains
lesplus proches
serait
prépondérante,
l’actionantagoniste
des autresdevenant
négligeable.
Ce cas n’acependant
pas étéenvisagé
car l’interaction entre les surfaces enregard
deviendrait
prédominante.
Certaines
précautions s’imposent
dans ces calculs.On doit tout d’abord les limiter aux structures granu- laires pour
lesquelles
restentacceptables
leshypothèses
de l’homothétie des
grains,
de la faiblesse de leur dimension et de leur distance devant leslongueurs
d’onde des
composantes spectrales
duchamp polari-
sant. Il est par ailleurs nécessaire de calculer la
permit-
tivité du
grain
en tenantcompte
de la limitation du libre parcours moyen des électrons.Signalons
enfin que l’effet de la forceexprimée
par
(16)
se retrouve dans toute élévation detempérature
de la couche maintenue dans l’enceinte où elle a été
préparée
et que l’effet de celle donnée par(20)
devraitêtre très
marquée
dans le cas où la couche se trouverait soumise à un éclairement intense.Bibliographie [1]
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