INTRODUCTION GENERALE
En raison du développement de l'industrie, du transport
et des moyens de communication, une croissance de la consommation mondiale
d'énergie a été observée pendant les
dernières décennies. Les besoins en énergie vont de plus
en plus augmenter dans le monde et les enjeux dans ce domaine deviendront de
plus en plus cruciaux. Cette forte augmentation des besoins en énergie
s'accompagnera d'une baisse globale des réserves
pétrolières et des efforts visant à réduire le
réchauffement climatique. Deux ressources d'énergie naturelles
apparaissent comme sources alternatives : l'énergie éolienne et
l'énergie solaire. Cette dernière est la source d'énergie
la plus prometteuse et la plus puissante. Avec environ 125 000 000 milliards de
watts de puissance solaire frappant la terre à n'importe quel moment,
l'énergie solaire devrait logiquement être la source
d'énergie renouvelable de demain. Les panneaux (panneaux
photovoltaïques) solaires sont destinés à
récupérer une partie du rayonnement solaire pour la convertir en
énergie électrique par le biais des cellules solaires
constituées de matériaux semi-conducteurs sous forme de couches
minces (silicium, sulfure de cadmium, tellure de cadmium, etc.) qui peuvent
libérer leurs électrons. De plus le silicium représente
90% de la production du photovoltaïque. Le matériau est
généralement pollué par des impuretés
métalliques et doit être purifié pour améliorer la
durée de vie des porteurs et par conséquent le rendement des
cellules solaires. D'autre part, les besoins de plus en plus importants en
silicium et par conséquent le déficit de ce dernier (le manque de
silicium a freiné la croissance du photovoltaïque en 2005 et 2006)
amène à explorer d'autres sources notamment du silicium dit
'sale' ou silicium métallurgique. Avec dans ce dernier cas un besoin
encore plus vital de purification par neutralisation des impuretés
métalliques afin de former des cellules solaires de bonne
qualité, qui permettront de réaliser des structures
photovoltaïques perfomantes à bas coûts. La réduction
significative des coûts viendra plus sûrement de la fabrication et
l'utilisation des couches minces permettant une augmentation
considérable des rendements.
Les enjeux actuels de l'industrie du semi-conducteur concernent
la réduction de la taille des dispositifs et la diminution des
coûts de production, tout en améliorant les performances et les
fonctionnalités. Par ailleurs, le développement
rapide de l'industrie électronique intervenu pendant ces
dernières années requiert de nouvelles méthodes de
croissance et de modification des propriétés des matériaux
semi-conducteurs. Récemment, l'inclusion des nanostructures dans les
matériaux (principalement le silicium), lors des processus
d'élaboration a été envisagée. La
compréhension du mécanisme de croissance des nano-cavités
créées par cette inclusion est donc déterminante pour le
développement de nouvelles méthodes de fabrication des
matériaux (à faible coût), et pourrait faire baisser de
manière considérable le prix du kWh de l'énergie
électrique provenant du solaire (209,6 Frs CFA/kWh [23]) par rapport
à celle provenant de l'hydroélectrique (AES-Sonel) qui est de 70
Frs CFA /kWh.
En raison des limitations expérimentales et
théoriques, les simulations apparaissent comme alternatives pour
étudier de tels processus au sein du laboratoire des sciences des
matériaux (L.S.M) du Département de Physique de la Faculté
des Sciences de l'Université de Yaoundé 1. En effet, les
expériences fournissent des informations importantes sur la croissance
des nano-cavités et leur environnement. Cependant, la résolution
spatio-temporelle des dispositifs expérimentaux ne permet pas
l'observation de la cinétique, encore moins la compréhension des
processus au niveau microscopique.
Dans ce mémoire, l'objectif est de présenter
dans un premier temps, la méthode de fabrication de couches minces de
matériaux semi-conducteurs par implantation ionique et, la purification
de films minces au moyen des nano-cavités induites par implantation
ionique (le gettering). Dans un second temps, l'étude théorique
et numérique de la croissance de ces nano-cavités (selon les deux
mécanismes, oswald ripening et migration coalescence) sera menée
car la connaissance de leur taille nous permet de déterminer et de
contrôler les propriétés des matériaux. Ce manuscrit
se présente comme suit :
- Dans le chapitre 1, nous décrivons
premièrement l'implantation ionique par faisceau d'ions et
l'implantation ionique par immersion plasma, ensuite la compréhension de
la formation des nano-cavités induites est abordée. L'interaction
de l'ion implanté (hydrogène et/ou hélium) avec les
défauts, la migration et la formation des complexes et des
nano-cavités seront également mises en exergue.
Le chapitre 2 concerne l'une des techniques de production des
couches minces oil nous verrons l'importance directe des cavités/bulles,
et une méthode de purification de ces couches, qui sont des applications
potentielles de nano-cavités.
- Enfin, l'étude menée au chapitre 1 sur les
différents phénomènes qui forment les
précurseurs
qui à leur tour donneront obligatoirement des
cavités/bulles, nous permettra d'aborder au chapitre 3, la croissance de
ces cavités.
En nous appuyant sur des modèles (comme celui de J. H.
Evans [1]) de croissance thermique, nous avons rédigé un code de
simulation dans le langage de programmation C++ permettant de faire des
perspectives d'évolution de la tailles des cavités 1
en fonction de la température et du temps de recuit et les calculs sont
comparés aux résultats existants.
1. L'emploi des deux termes cavités ou nano-cavités
sera confondu.
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