Le processus CVD commence par des cuves contenant un matériau initiateur (rouge) et un ou plusieurs monomères (violet et bleu), qui sont les éléments constitutifs du revêtement polymère souhaité. Ceux-ci sont vaporisés, soit en les chauffant soit en réduisant la pression, et sont ensuite introduits dans une enceinte à vide contenant le matériau à revêtir. L'initiateur aide à accélérer le processus dans lequel les monomères se lient en chaînes pour former des polymères à la surface du matériau du substrat.
Dans un sens, dit Karen Gleason, professeure de génie chimique au MIT, vous pouvez retracer la technologie du dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD, remonter à la préhistoire :« Quand les hommes des cavernes allumèrent une lampe et que de la suie se déposa sur la paroi d'une grotte, " elle dit, c'était une forme rudimentaire de MCV.
Aujourd'hui, Le CVD est un outil de fabrication de base—utilisé dans tout, des lunettes de soleil aux sacs de chips—et est fondamental pour la production d'une grande partie de l'électronique d'aujourd'hui. C'est aussi une technique soumise à un raffinement et une expansion constants, pousser la recherche sur les matériaux dans de nouvelles directions, telles que la production de feuilles de graphène à grande échelle, ou le développement de cellules solaires qui pourraient être « imprimées » sur une feuille de papier ou de plastique.
Dans ce dernier domaine, Gleason, qui sert également de recteur associé du MIT, a été un pionnier. Elle a développé ce qui était traditionnellement un procédé à haute température utilisé pour déposer des métaux dans des conditions industrielles en un procédé à basse température qui pourrait être utilisé pour des matériaux plus délicats, tels que les polymères organiques. Ce développement, un raffinement d'une méthode inventée dans les années 1950 par Union Carbide pour produire des revêtements polymères protecteurs, est ce qui a permis, par exemple, les cellules solaires imprimables que Gleason et d'autres ont développées.
Ce dépôt en phase vapeur de polymères a ouvert la porte à une variété de matériaux qui seraient difficiles, et dans certains cas impossible, produire de toute autre manière. Par exemple, de nombreux polymères utiles, tels que des matériaux hydrofuges pour protéger des composants industriels ou des implants biologiques, sont fabriqués à partir de précurseurs non solubles, et n'a donc pas pu être produit à l'aide de méthodes conventionnelles basées sur des solutions. En outre, dit Gleason, le professeur Alexander et I. Michael Kasser au MIT, le processus CVD lui-même induit des réactions chimiques entre les revêtements et les substrats qui peuvent fortement lier le matériau à la surface.
Les travaux de Gleason sur les CVD à base de polymères ont commencé dans les années 1990, quand elle a fait des expériences avec du téflon, un composé de chlore et de fluor. Ce travail a conduit à un domaine en plein essor détaillé dans un nouveau livre édité par Gleason, intitulé "CVD Polymers:Fabrication of Organic Surfaces and Devices" (Wiley, 2015).
À l'époque, l'idée était que la seule façon de faire fonctionner le CVD avec des matériaux polymères était d'utiliser du plasma - un gaz chargé électriquement - pour initier la réaction. Gleason a essayé de faire des expériences pour le prouver, en commençant par réaliser une expérience de contrôle sans plasma afin de démontrer à quel point il était important pour le bon fonctionnement du procédé. Au lieu, son expérience de contrôle a très bien fonctionné sans plasma du tout, prouvant que pour de nombreux polymères cette étape n'était pas nécessaire.
Mais le matériel utilisé par Gleason permettait de contrôler la température du gaz séparément de celle du substrat; avoir le refroidisseur de substrat s'est avéré être la clé. Elle a ensuite fait la démonstration du processus sans plasma avec plus de 70 polymères différents, ouvrant un tout nouveau champ de recherche.
Le processus peut nécessiter beaucoup de réglages, mais il s'agit fondamentalement d'un ensemble d'étapes simples :le matériau à revêtir est placé à l'intérieur d'une chambre à vide, qui dicte la taille maximale des objets pouvant être revêtus. Puis, le matériau de revêtement est chauffé, ou la pression qui l'entoure est réduite jusqu'à ce que le matériau se vaporise, soit à l'intérieur de la chambre à vide, soit dans une zone adjacente à partir de laquelle la vapeur peut être introduite. Là, le matériau en suspension commence à se déposer sur le matériau du substrat et à former un revêtement uniforme. Le réglage de la température et de la durée du procédé permet de contrôler l'épaisseur du revêtement.
Avec des métaux ou des composés métalliques, tels que ceux utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs, ou les revêtements argentés à l'intérieur des sacs à collation, la vapeur de métal chauffé se dépose sur un substrat plus froid. Dans le procédé polymère, c'est un peu plus complexe :deux ou plusieurs composés précurseurs différents, appelés monomères, sont introduits dans la chambre, où ils réagissent pour former des polymères lorsqu'ils se déposent à la surface.
Même le traitement CVD à haute température a évolué, avec un grand potentiel pour des applications commerciales. Par exemple, le groupe de recherche de John Hart, professeur agrégé de génie mécanique, a construit un système de traitement roll-to-roll utilisant CVD pour fabriquer des feuilles de graphène, un matériau dont les applications potentielles vont des grands écrans aux systèmes de filtration d'eau. Le groupe de Hart et d'autres ont utilisé le CVD pour produire de grands réseaux de nanotubes de carbone, matériaux ayant un potentiel comme nouvelles électrodes pour batteries ou piles à combustible.
"C'est un procédé de fabrication très polyvalent et largement utilisé, " Hart dit, "et un processus très général qui peut être adapté à de nombreuses applications différentes."
Un grand avantage du traitement CVD est qu'il peut créer des revêtements d'épaisseur uniforme même sur des formes complexes. Par exemple, Le CVD peut être utilisé pour enrober uniformément des nanotubes de carbone - de minuscules cylindres de carbone pur beaucoup plus fins qu'un cheveu - de manière à modifier leurs propriétés mécaniques et à les faire réagir chimiquement à certaines substances.
"En combinant deux processus CVD, l'un pour faire croître les nanotubes de carbone, et un autre pour enrober les nanotubes - nous avons un moyen évolutif de fabriquer des nanomatériaux avec de nouvelles propriétés, " dit Hart.
De nombreux progrès dans la recherche sur les MCV ces dernières années remontent à la découverte inattendue de Gleason, dans les années 90, que le processus pourrait fonctionner sans plasma et son suivi sur cette découverte. "Vous devez faire attention quand une nouvelle chose arrive, " dit-elle. " C'est en quelque sorte la clé. "
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
