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Science des matériaux et vitrages à contrôle thermique

R. Lazzari, G. Cabailh, J. Jupille, S. Chenot, F. Finocchi

Collaboration avec le laboratoire mixte CNRS/St-Gobain (SVI), St-Gobain Recherche-Aubervilliers et NTNU-Norvège

Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, l’habitat de demain se doit être le plus efficace possible du point de vue énergétique, voire neutre. Cet objectif passe par le développement de matériaux innovants qui posent des défis de science des matériaux à tous les niveaux. Si les double- vitrages permettent de réduire le transport de chaleur par conduction/convection, le contrôle du transfert radiatif est assuré par des revêtements déposés sous vide par pulvérisation cathodique. La réflexion infra-rouge est ainsi assurée par des films minces métalliques d’argent dont l’épaisseur nanométrique permet la transparence dans le visible. Cependant, comme l’argent présente une affinité chimique faible avec les substrats diélectriques, la morphologie métastable de film mince est sujette à un démouillage préjudiciable à la coloration du vitrage. Ceci est d’autant plus vrai que ce dernier doit être soumis à des traitements thermiques comme le bombage (application automobile) ou la trempe. Ainsi, le film de métal est stabilisé par encapsulation dans des empilements d’une extrême complexité ou chaque couche joue un rôle bien particulier. L’argent est ainsi « épitaxié » sur des couches texturées de ZnO. Des couches tampon de métaux de transition sont également ajoutées pour améliorer le mouillage et limiter la diffusion des espèces. Le jeu consiste alors à obtenir à partir d’un substrat amorphe de verre, la couche la mieux cristallisée possible, donc la moins résistive et la plus réflectrice possible pour l’infra-rouge.

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Figure 1 : a) Image en caméra thermique d’une maison mal isolée. Les fenêtres représentent des fuites thermiques. B) Schéma d’un vitrage à isolation renforcée par des revêtements à l’argent.

Ainsi, l’équipe « Oxydes en Basses Dimensions » de l’INSP développe depuis de nombreuses années, en collaboration avec le laboratoire mixte CNRS/St Gobain et St-Gobain Recherche, une réflexion fondamentale sur les questions de science des matériaux posées par ce contexte industriel. Celles-ci se déclinent suivant de multiples directions qui s’entrecroisent :

  • Contrôle et rôle de la polarité dans les films de ZnO sur l’épitaxie et l’alignement de bandes
  • Ag/ZnO(0001) [T1,T5,7,10]
  • Chimie d’interface des métaux de transition sur ZnO [T1,5,7] ;
  • Contribution respectives des interfaces et des joints de grains dans la résistivité électrique [T3]
  • Mécanisme de démouillage des films métalliques [T2,3,4,6,9]
  • Plasmonique des nanostructures [T1-T4,1,4,9]
  • Contraintes dans les films minces [T3,2]
  • Compréhension in situ des mécanismes de croissance par pulvérisation cathodique [T3,1,6]

Les questions sont abordées sur des systèmes modèles avec les techniques les plus pertinentes pour la question posée, soit à l’INSP, soit à SVI, soit auprès du rayonnement synchrotron (EXAFS, HAXPES).

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Thèses

[T1] 2013-2017 : Ekaterina Chernysheva, Thèse CIFRE, Zinc oxide growth and its interfaces with metals observed by photoemisssiont
[T2] 2013-2016 : Paul Jacquet, Thèse CIFRE, Vers la compréhension et le contrôle du démouillage des couches d’argent
Prix de thèse Caseau 2018 de l’Académie des Technologiest
[T3] 2016-2019 : Quentin Hérault, Thèse CIFRE, Vers la compréhension de la croissance des couches minces d’argent par pulvérisation à la lumière de mesures operandot
[T4] 2017-2020 : Sunniva Indrehus, Thèse ANR FRAXOS, Plasmonics response of thin filmst
[T5] 2019-2022 : Francesca Corbella, Thèse CIFRE, In-plane texturing of silver layers

Publications

[1] Real time monitoring of nanoparticle film growth at high deposition rate with optical spectroscopy of plasmon resonance, S. Grachev, M. de Grazia, E. Barthel, E. Sondergard, R. Lazzari, J. Phys. D : Appl. Phys. 46 (2013) 375305t
[2] Surface and epitaxial stress for supported metal clusters, R. Lazzari, J. Goniakowski, G. Cabailh, R. Cavallotti, N. Trcera, P. Lagarde, J. Jupille NanoLetters 16 (2016) 2574t
[3] Grain growth : the key to understand silver solid-state dewetting, P. Jacquet, R. Podor, J. Ravaux, J. Teisseire, I. Gozhyk, J. Jupille, R. Lazzari, Scripta. Mater. 115 (2016) 128t
[4] Monitoring silver solid-state dewetting with in situ ellipsometry, P. Jacquet, M. Kildemo, J. Teisseire, I. Gozhyk, J. Jupille, R. Lazzari, Appl. Surf. Sci 421 (2016) 553t
[5] Orientation-dependent chemistry and band-bending of Ti on polar ZnO surfaces, P. Borghetti, Y. Mouchaal, Z. Dai, G. Cabailh, S. Chenot, R. Lazzari, J. Jupille, Phys. Chem. Chem. Phys. 19 (2017) 10350t
[6] On the solid-state dewetting of polycrystalline thin films : capillary versus grain growth approach, P. Jacquet, R. Podor, J. Ravaux, J. Lautru, J. Teisseire, I. Gozhyk, J. Jupille, R. Lazzari, Acta Mater. 143 (2017) 281t
[7] Band alignment at Ag/ZnO(0001) interfaces : a combined soft and hard x-ray photoemission study, E. Chernysheva, W. Srour, B. Philippe, B. Baris, S. Chenot, R. F. Duarte, M. Gorgoi, H. Cruguel, H. Rensmo, H. Montigaud, J. Jupille, G. Cabailh, S. Grachev, R. Lazzari, Phys. Rev. B 97 (2018) 235430t
[8] Plasma emission correction in reflectivity spectroscopy during sputtering deposition, I. Gozhyk, L. Dai, Q. Hérault, R. Lazzari, S. Grachev, J. Phys. D : Appl. Phys. 52 (2019) 095202t
[9] Periodic arrays of diamond-shaped silver nanoparticles : from scalable fabrication by template-assisted solid-state dewetting to tunable optical properties, P. Jacquet, B. Bouteille, R. Dezert, J. Lautru, R. Podor, A. Baron, J. Teisseire, J. Jupille, R. Lazzari, I. Gozhyk, Adv. Func. Mat. 1901119 (2019) 2t
[10] Polar-step driven metal nucleation and growth : the Ag/ZnO(10-10) case, S. Benedetti, I. Valenti, S. Valeri, S. Castilla, E. Touzé, Y. Bronstein, A. Toumar, F. Finocchi, R. Lazzari, J. Phys. Chem. C 124 (2020) 6130