Multicouche

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Les multicouches sont des nanostructures artificielles fabriquées par des techniques de dépôt sous ultravide afin d'obtenir des propriétés nouvelles.

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Sommaire

1 Les miroirs ou filtres
2 Les super réseaux
3 La spintronique
4 Cristaux photoniques
5 Images par TEM
6 Traitement multicouche des lentilles optiques
7 Voir aussi
- 7.1 Liens externes

[modifier] Les miroirs ou filtres

Les multicouches produites dans les années 1980 consistaient à obtenir une périodicité nanométrique à une dimension de façon à réaliser des miroirs à rayons X ou à neutrons.

Ces multicouches amorphes ou épitaxiées font partie de ce qu'on appelle les nouveaux matériaux, terme ayant précédé celui de nanotechnologies.

Pour s'en faire une idée, il suffit de s'imaginer un millefeuille tel que chaque couche a une épaisseur de quelques couches atomiques : on a alors une périodicité nanométrique à une dimension.

Ces matériaux existent naturellement : citons les stéarates ou les mica. Mais alors le contraste en ce qui concerne les rayons X

http://www.google.fr/search?hl=fr&ie=UTF-8&q=x-Ray+multilayer&btnG=Recherche+Google&meta= permet de trouver des liens et références dans ce domaine.

http://www.google.fr/search?q=Lepetre,Y.+multilayer&hl=fr&lr=&ie=UTF-8&start=0&sa=N

[modifier] Les super réseaux

En 1985, c'est dans le domaine de la supraconductivité à haute température que les multicouches épitaxiées (en anglais : superlattices) ont débouché.

[modifier] La spintronique

Albert Fert a eu en 2003 la médaille d'or du CNRS pour avoir en 1988 réalisé des multicouches avec des matériaux ferromagnétiques Fer Chrome qui ont la propriété d'avoir une « résistance géante » (en anglais « giant magnétorésistance »). Son article paru dans Physical Review Letters « Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr superlattices » (Phys. Rev. Lett. 61, 2472–2475 (1988))fait partie des 10 articles les plus cités (2455 citations) depuis 50 ans et ceci le plaçait dans les nobélisables en 2003.

extrait de discours : http://www2.cnrs.fr/presse/communique/420.htm

« Alors que l'électronique classique déplace les électrons – ce déplacement constituant le courant électrique - en exerçant une force sur leur charge électrique, l'électronique de spin agit aussi sur le spin pour contrôler le déplacement des électrons.

En fait, si l'électronique classique ignore le spin de l'électron, c'est que trouver un moyen de piloter les électrons en agissant sur leur spin n'est pas un problème évident. L'idée à la base de l'électronique de spin est de faire passer le courant d'électrons à travers des couches ultra-fines de matériaux ferromagnétiques, c'est-à-dire de matériaux aimantés comme le fer ou le nickel. Il y a dans ces couches une forte interaction entre le spin de l'électron et l'aimantation du matériau ferromagnétique. Une couche dont l'aimantation est dirigée vers le haut peut, par exemple, laisser passer facilement le courant d'électrons dont le spin est également orientée vers le haut et arrêter, ou presque arrêter, les électrons de direction de spin opposée. Cet effet de filtre à spin est, en simplifiant, la base générale de l'électronique de spin : en contrôlant une orientation d'aimantation et donc le filtrage des spins, on peut contrôler un courant d'électrons.

Dans le phénomène de magnétorésistance géante, par exemple, le courant d'électrons est « filtré » par deux couches ferromagnétiques successives. Si ces deux couches ont des aimantations opposées, l'une arrête les électrons d'une certaine orientation de spin et l'autre arrête les autres. Le courant ne passe pas ou presque pas. En revanche, en présence d'un champ magnétique, les aimantations des deux couches s'alignent dans la direction du champ, tous les électrons dont le spin est dans cette direction traversent sans problème le deux couches, et le courant passe. Un petit champ magnétique qui ouvre la porte au courant électrique, c'est le principe de la GMR. Ce petit champ sera, par exemple, celui généré par les inscriptions magnétiques sur le disque dur d'un ordinateur dans l'application de la GMR aux têtes de lecture. En fait, le mécanisme de la GMR est bien sûr un peu plus compliqué. Pour que « ça marche », il faut que les épaisseurs des couches et leur espacement ne dépassent pas quelques nanomètres, quelques millionièmes de millimètre. Ce qui veut dire que l'électronique de spin a du attendre l'arrivée des nanotechnologies pour se mettre en place.

Un peu d'histoire. L'influence du spin sur la mobilité des électrons dans les métaux ferromagnétiques avait d'abord été suggérée par le prix Nobel anglais Sir Nevill Mott. Ce fut ensuite mon sujet de thèse. Par des expériences sur de nombreux métaux et alliages ferromagnétiques, j'ai pu confirmer et quantifier cette influence, montrer par exemple qu'en dopant du nickel avec quelques % de fer ou de cobalt on peut obtenir un filtrage très efficace des spins. Pour l'interprétation de ces effets, j'avais pu m'appuyer sur les théories de la structure électronique des métaux développées par Jacques Friedel et André Blandin à Orsay ou François Gautier à Strasbourg. Aller plus loin vers l'électronique de spin était en revanche impossible en 1970. Il était impensable à cette époque de pouvoir fabriquer des empilements de couches aussi fines que le millionième de millimètre, c'est-à-dire de couches composées seulement de quelques plans d'atomes. Je suis moi même passé à d'autres sujets de recherche.

Les progrès technologiques sont venus au milieu des années 80 avec l'arrivée de techniques de dépôt sous ultra-vide comme l'Epitaxie par Jets Moléculaires. En 1985, j'étais alors au laboratoire de Physique des Solides d'Orsay, Alain Friederich dirigeait un groupe du Laboratoire Central de Recherche de Thomson-CSF où l'on maîtrisait la technique d'Epitaxie par Jets Moléculaires et, après une discussion lors d'un congrès à San Diego en Californie, nous avons lancé une collaboration pour l'étude de multicouches magnétique. L'Epitaxie par Jets Moléculaires a permis de fabriquer des multicouches magnétiques qui, par exemple, empilaient en alternance trois couches d'atomes de fer puis trois couches d'atomes de chrome.

Un premier résultat observé a été que les aimantations de couches de fer successives interagissent et s'orientent en direction opposée pour certaines épaisseurs très fines de chrome. Ce n'était pas un résultat nouveau, on connaissait déjà cela pour certaines multicouches magnétiques. Mais cela nous donnait la nanostructure qu'il nous fallait, avec une possibilité de passer d'aimantations alternées à aimantations parallèles en appliquant un champ magnétique. La découverte de la GMR a suivi. Nous avons mesuré la résistance électrique de nos multicouches, appliqué un champ magnétique pour aligner les aimantations, et provoqué ainsi une forte chute de la résistance, 80% pour des épaisseurs de chrome correspondant à trois couches d'atomes de chrome.

On appelle magnétorésistance la variation de résistance d'un conducteur induite par un champ magnétique. Comme la variation observée était beaucoup plus grande que dans les conducteurs habituels, nous l'avons appelé magnétorésistance géante, en anglais « giant magnetoresistance » ou GMR.

Le mécanisme de la GMR est celui que j'ai décrit schématiquement plus haut. Dans la configuration d'aimantations alternées, tous les électrons sont arrêtés ou presque arrêtés une fois sur deux par les couches de fer. En revanche, en présence d'un champ magnétique, les aimantations s'alignent, une catégorie d'électrons se propage partout facilement et la résistance électrique est plus faible. La base physique, c'est toujours l'influence du spin sur la mobilité des électrons à l'intérieur des couches de métal ferromagnétique et aussi sur la transmission des électrons aux interfaces entre couches. Nos modèles de 1970 sont maintenant confirmés quantitativement par des calculs numériques sophistiqués des fonctions d'onde des électrons dans une multicouche. L'optimisation des effets GMR s'appelle « wave function engineering », ingénierie des fonctions d'onde.

Notre publication de 88, qui présentait les résultats et leur interprétation, a été suivi quelques mois après, en 89, d'une publication du groupe de Peter Grünberg à Jülich en Allemagne qui présentait des résultats du même type, plus modestes, quelques dizaines de fois plus petits, mais dus exactement au même phénomène. Grunberg et moi même avons été d'accord pour considérer que nos expériences avaient été réalisées quasi-simultanément et que nous partagions la découverte. La première théorie quantique de la GMR est venue d'une collaboration que j'ai eue avec Peter Levy de New York University et a été publiée en 1990. L'École d'Orsay où, autour de Friedel, expérimentateurs et théoriciens collaboraient étroitement, a permis à beaucoup d'entre nous de mener parfois en parallèle expériences et théorie. Pour moi cela a donné quelques travaux théoriques qui sont parmi les plus cités de ma liste de publications. Ce mélange des genres est peut être une caractéristique de l'école française de magnétisme, de Curie à Weiss, Néel et Friedel. Il donne l'avantage d'une vue très globale des problèmes.

Le phénomène de GMR est apparu tout de suite intéressant pour des applications, par exemple pour détecter un tout petit champ magnétique par une variation de courant électrique. Dès 93 sont apparus des capteurs de champ magnétique aujourd'hui utilisés dans l'industrie automobile et dans l'industrie de défense, ou aussi en médecine pour suivre des traceurs magnétiques à l'intérieur du corps humain. L'application la plus importante a été pour la lecture de disques durs. Les têtes de lecture à GMR sont apparues sur le marché en 1997 et sont utilisées maintenant dans la plupart des ordinateurs. Sur un disque dur, l'information est stockée sous forme de bits, 0 ou 1, associés à des orientations de l'aimantation dans un sens ou dans l'autre sur un petit élément du disque. Ces bits génèrent des champs magnétiques minuscules et, dans une tête à GMR, on détecte ces petits champs magnétiques par la variation de courant électrique qu'ils provoquent dans une multicouche magnétique. Grâce à la sensibilité de l'effet GMR, on peut détecter des champs plus petits, donc inscrire des bits plus petits, donc augmenter la densité d'information stockée dans le disque. Depuis l'introduction des têtes GMR en 97, la densité de stockage a pu ainsi être multipliée par un facteur 100 environ.

Cependant on atteint maintenant la limite des têtes à GMR « classique », c'est-à-dire la GMR avec le courant parallèle aux couches. La prochaine génération de disques utilisera d'autres effets d'électronique de spin comme la magnétorésistance tunnel (TMR) ou la GMR avec courant perpendiculaire aux couches. » http://www2.cnrs.fr/presse/communique/420.htm

IBM a su exploiter en brevetant ce résultat pour réaliser des disques dur de mémoire miniaturisés (gigabit) : ce domaine de recherche est connu sous l'appellation de spintronique.

[modifier] Cristaux photoniques

les cristaux photoniques sont des structures artificielles périodiques diélectriques à 1,2 ou 3 dimensions.

à une dimension, elles constituent ce que l'on appelait des filtres interférentiels. Voir aussi les pinces optiques.

[modifier] Images par TEM

Photographie de profil

Cette image de couches minces de carbone (en clair) et de tungstène (en sombre) déposées sur du silicium (on distingue les plans atomiques du silicium) est un exemple de ce que l'on peut obtenir par microscopie électronique en transmission http://content.aip.org/APPLAB/v50/i21/1480_1.html

Autre profil d'une structure Fabry Perrot formée de deux multicouches carbone tungstène séparées par une couche épaisse de carbonne.

Ces photos datent de 1984

[modifier] Traitement multicouche des lentilles optiques

Un des problèmes dans l'utilisation des lentilles optiques, tant en lunetterie qu'en photographie, est qu'une partie de la lumière qui devrait traverser la lentille est réfléchie. Cela a deux conséquences néfastes :

Cette lumière est perdue (et si le nombre de lentilles à traverser est important, il peut y avoir une quasi-extinction du faisceau lumineux) ;
Cette lumière est renvoyée, ce qui est générateur de reflets parasites.

Une solution simple à ce problème est d'utiliser un traitement de surface sur la lentille, constitué d'une couche transparente d'indice de réfraction différent de la lentille, et d'une épaisseur correspondant à 1/2 longueur d'onde de la lumière incidente.

De cette manière, la lumière réfléchie arrive en opposition de phase avec la lumière incidente, et les deux s'annulent.

Il est assez facile de comprendre qu'il y a extinction de la lumière réfléchie, mais plus difficile de comprendre que cette annulation de la lumière réfléchie s'accompagne d'une absence de déperdition du faisceau lumineux.

Malheureusement, ce type de procédé ne fonctionne que pour une lumière monochromatique, puisqu'il faudrait, en théorie, autant de couches d'épaisseur différente qu'il y a de couleurs visibles.

Il y a quelques années, on pouvait voir des reflets violacés à la surface des lunettes de vue à cause de cette technique.

En pratique, des recherches empiriques ont montré que 3 couches suffisaient à obtenir un résultat très correct.

De nos jours, la quasi-totalité des objectifs photographiques d'une certaine qualité utilisent le traitement multicouche.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens externes

Récupérée de « http://fr.wikipedia.org../../../m/u/l/Multicouche.html »

Catégorie : Lentille