Dépôt Atomique en Couche (ALD) Utilisé pour Créer un Revêtement Ultra-Noir Idéal pour l’Observation du Cosmos

Des chercheurs de l’Université de Shanghai pour la Science et la Technologie et de l’Académie chinoise des sciences ont atteint une étape majeure après avoir utilisé avec succès une nouvelle méthode de dépôt atomique en couche (ALD) pour appliquer un revêtement ultra-noir sur une surface irrégulière. Le revêtement amélioré est plus résilient et efficace que ses prédécesseurs. En conséquence, ce développement pourrait avoir d’importantes répercussions dans de multiples secteurs, notamment l’optique, l’exploration spatiale, les énergies renouvelables et bien d’autres. Voici ce que vous devez savoir.

Les chercheurs ont publié leurs résultats et expliqué en détail comment ils ont créé un revêtement mince ultra-noir durable, conçu spécifiquement pour les alliages de magnésium de qualité aérospatiale. Ces alliages sont couramment utilisés dans l’exploration spatiale, où le poids et la durabilité sont des préoccupations majeures.

Source – Photonexpert – Dépôt Atomique en Couche (ALD) Inventeur Dr. Tuomo Suntola

Les personnes non familières avec le processus utilisé pour créer des dispositifs et des optiques haute technologie peuvent ne pas comprendre l’importance vitale de trouver un matériau noir non réfléchissant. Notamment, la lumière parasite peut provoquer des perturbations dans ces dispositifs et réduire considérablement la qualité. Par conséquent, il y a eu une série continue d’améliorations dans la recherche du matériau non réfléchissant le plus noir.

Ces revêtements aideront à faire progresser les technologies aérospatiales où de nouvelles combinaisons de matériaux peuvent créer des matériaux plus solides. Ces matériaux légers se trouvent sur de nombreux satellites, engins spatiaux et combinaisons. Ils sont également couramment utilisés dans le secteur aéronautique en raison de leur résilience et de leur durabilité avérée.

À la recherche du noir le plus noir

À mesure que les optiques de précision continuent de progresser, la demande de matériaux plus absorbants pour la lumière augmente. Jusqu’à récemment, un film noir mince était utilisé pour créer un matériau non réfléchissant absorbant la lumière à l’intérieur des objectifs d’appareils photo et d’autres dispositifs courbes ou de forme inhabituelle. Le revêtement ALD offre une meilleure solution qui peut être appliquée plus facilement et résiste aux conditions extrêmes. Le processus crée des couches ultra-minces et uniformes qui ne laissent aucune zone non couverte.

Problèmes avec les matériaux et méthodes de revêtement actuels

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles les techniques de revêtement ultra-noir existantes sont insuffisantes pour les dispositifs optiques et électroniques haut de gamme d’aujourd’hui. Les techniques de revêtement les plus populaires reposent actuellement sur des revêtements utilisant des matériaux fragiles, notamment des nanotubes de carbone alignés verticalement ou du silicium noir. Ces matériaux ne peuvent pas résister à des environnements difficiles sans se dégrader rapidement. Ils sont également coûteux et difficiles à fabriquer.

De plus, il est difficile d’appliquer ces revêtements à des structures complexes. Étant donné qu’une application inégale entraîne une moindre durabilité et des performances réduites, de plus en plus de chercheurs consacrent leurs efforts à créer des alternatives plus absorbantes. À mesure que les lentilles et autres dispositifs optiques deviennent plus complexes, il devient crucial de rechercher et de créer de meilleures méthodes d’application uniforme de matériaux absorbants non réfléchissants.

Le dépôt atomique en couche (ALD)

Le dépôt atomique en couche (ALD) aide à résoudre bon nombre des principaux problèmes rencontrés par les fabricants et les chercheurs concernant les revêtements. Le processus repose sur des chambres sous vide où le gaz est introduit et laisse une fine couche à la surface. Cette méthode, appelée croissance de film, offre aux fabricants un moyen simple de créer des matériaux complexes en utilisant des couches.

La méthode ALD a produit des résultats impressionnants avec un test montrant que 99,3 % de la lumière était absorbée par ce matériau ultra-noir. Ces améliorations proviennent d’une couverture de film plus uniforme et de l’utilisation de nouveaux matériaux absorbants. Plus précisément, les chercheurs ont introduit une nouvelle méthode qui utilise deux couches pour améliorer la durabilité.

La couche de base utilise un composite titane-aluminium-carbone (TiAlC). Cette composition possède des qualités d’absorption ultra-légères et peut résister à une utilisation intensive dans des environnements difficiles, y compris l’espace. La deuxième couche utilise un matériau diélectrique, le nitrure de silicium (SiO2), idéal pour prévenir les réflexions. Ensemble, ces couches peuvent absorber 99,3 % de la lumière sur une large gamme de longueurs d’onde.

Histoire du ALD

L’idée d’utiliser le ALD pour appliquer des revêtements minces existe depuis plus de 60 ans. Fait intéressant, deux inventeurs ont revendiqué la découverte de la technologie. Ces efforts indépendants ont abordé le processus différemment mais ont obtenu les mêmes résultats : une couche de revêtement atomiquement fine.

Dans les années 1960, des chercheurs soviétiques ont accompli cette tâche en utilisant un processus appelé stratification moléculaire. La découverte n’a pas été immédiatement reconnue en Occident, le climat politique étant tendu après la fin de la Seconde Guerre mondiale. Cependant, de nombreux chercheurs ont rapidement compris que cette technologie serait cruciale pour les appareils de prochaine génération.

Une décennie plus tard, une équipe de recherche finlandaise dirigée par le Dr Tuomo Suntola a utilisé avec succès une nouvelle méthode appelée épitaxie en couche atomique pour fournir des revêtements minces et uniformes de matériau absorbant la lumière aux appareils. Cette méthode a immédiatement séduit les fabricants, faisant de la Finlande un centre de développement du ALD pendant des décennies.

À partir de là, la science du ALD a continué de s’étendre avec des percées dans le photovoltaïque, la catalyse, la fabrication de semi-conducteurs et au-delà. Aujourd’hui, vous vivez dans un monde entouré par cette technologie. De votre smartphone à vos panneaux solaires alimentant votre maison, les processus ALD ont amélioré la vie de milliards de personnes.

De manière impressionnante, les processus les plus récents ont évolué au point de pouvoir déposer des films uniformes et conformes sur des objets complexes en 3 D avec une précision atomique. Le ALD offre un revêtement ultra-mince pouvant atteindre une épaisseur d’un seul atome. Notamment, le revêtement est si fin qu’il peut être considéré comme 2D.

Utilisations du ALD

Aujourd’hui, les processus de fabrication ALD sont un composant crucial du marché. Ces couches minces offrent un moyen solide et efficace de protéger les objets des sources d’énergie indésirables. Voici quelques-unes des façons les plus passionnantes dont le ALD pourrait améliorer votre vie à l’avenir.

Cellules solaires

Les chercheurs ont réalisé d’importants progrès dans le photovoltaïque grâce à l’utilisation de la technologie ALD pour tester de nouveaux matériaux et structures. Les panneaux solaires d’aujourd’hui sont inefficaces, la meilleure option n’atteignant en moyenne que +30 % de conversion énergétique. Une grande partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur et se reflète à la surface des cellules vers l’atmosphère.

Les panneaux solaires ALD pourraient capter davantage de lumière et prévenir les fuites. De plus, ils pourraient être conçus pour résister aux environnements les plus hostiles, y compris ceux présents sur d’autres planètes où ils seraient nécessaires pour faire fonctionner des appareils d’exploration spatiale pendant des années. Ainsi, beaucoup pensent que les cellules solaires ALD alimenteront le prochain rover lunaire et d’autres missions spatiales.

Batteries au lithium

La technologie des batteries lithium-ion (LIB) offre une haute densité d’énergie et des batteries à faible auto-décharge. Ces batteries reposent sur des réactions chimiques entre l’électrolyte et l’anode. Malheureusement, les interfaces d’électrolyte solide (SEI) actuelles consomment un pourcentage d’ions de façon permanente, les rendant gaspilleuses.

Utiliser le ALD pour revêtir les couches électroniques pourrait aider à prévenir les pertes de performance et réduire la dégradation au fil du temps. Les processus ALD peuvent accomplir ces tâches car ils sont à la fois minces et peuvent être appliqués uniformément sans trous à la surface au niveau atomique. Ce revêtement empêche la contamination croisée indésirable au niveau atomique.

Micro-puces

La technologie des micro-puces continue de révolutionner le monde en rendant les électroniques avancées plus petites et plus fiables. La micro-puce actuelle est des années-lumière en avance sur son prédécesseur mais manque encore à plusieurs égards. Tout d’abord, elle consomme beaucoup d’énergie, ce qui signifie que tous vos appareils intelligents entraînent une forte consommation d’énergie.

Reconnaissant l’importance de la durabilité énergétique, le Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) a accordé au Laboratoire national d’Argonne 4 millions de dollars pour financer leurs recherches sur les puces de prochaine génération utilisant le ALD. L’objectif du projet est de trouver de nouveaux matériaux capables de réduire les besoins énergétiques des micro-puces jusqu’à 50 fois. En cas de succès, l’ensemble du marché pourrait en bénéficier.

Une partie de l’approche vise à résoudre le « goulot d’étranglement de von Neumann », terme désignant la quantité massive d’énergie utilisée par les ordinateurs simplement pour déplacer les données entre les puces logiques et de mémoire. Argonne utilisera le ALD pour créer des alternatives à faible consommation d’énergie afin de lutter contre la consommation excessive d’énergie avant qu’il ne soit trop tard.

Espace

L’exploration spatiale est l’un des secteurs où le ALD a joué un rôle important au cours de la dernière décennie. La recherche spatiale nécessite des dispositifs capables de supporter des environnements hostiles différents de tout ce que l’on trouve sur Terre. Un satellite peut devoir résister à des températures de +500 °F d’un côté, tandis que l’autre côté de l’appareil est gelé à des températures négatives.

Ces températures et conditions extrêmes peuvent causer des ravages sur les dispositifs optiques et électroniques. Le ALD offre la meilleure solution à ces problèmes. De plus, les chercheurs continuent d’étendre ses capacités d’absorption de la lumière. L’optique spatiale actuelle repose sur des matériaux capables d’absorber également les rayons ultraviolets et infrarouges afin de fournir un environnement stérile lumineux.

Leaders du marché du ALD

Le marché du ALD continue de s’étendre pour répondre à la demande croissante des fabricants électroniques et des chercheurs. Ces fournisseurs de ALD ont conclu de solides partenariats stratégiques et ont prouvé qu’ils offrent des services fiables. Voici quelques-uns des principaux fournisseurs de ALD qui stimulent l’innovation aujourd’hui.

1. Argonne

(ANL )

Argonne est un centre de recherche réputé qui collabore avec des fabricants de haute technologie, des gouvernements et d’autres chercheurs pour créer des options de revêtement avancées. L’entreprise a vu le jour dans les années 1940 en tant que dérivé du projet Manhattan. À l’époque, l’énergie atomique était perçue comme l’avenir.

Depuis lors, Argonne est devenu un centre de recherche multidisciplinaire en sciences et en ingénierie, tout en se concentrant principalement sur la durabilité énergétique. Le groupe exploite son emplacement au centre-ville de Chicago pour accéder à diverses industries et stimuler la créativité dans les marchés de la physique de l’énergie et des sciences des matériaux.

2. Beneq

(Private)

En 1984, Beneq est devenue la première ligne de production industrielle au monde à intégrer les méthodes ALD dans ses processus. Cette entreprise finlandaise privée a été un pionnier sur le marché depuis la création du ALD. Aujourd’hui, elle fournit des équipements ALD haut de gamme aux entreprises et se spécialise dans les processus de fabrication de semi-conducteurs.

Beneq reste une force pionnière dans le secteur du ALD et a été reconnue comme l’un des noms les plus établis de cette liste. Le groupe continue d’offrir des solutions de revêtement nouvelles et innovantes. En conséquence, beaucoup le considèrent comme un leader du marché.

3. CVD Equipment

(CVV )

CVD Equipment est un autre fournisseur de ALD très respecté. Le groupe s’est forgé une réputation en fournissant des équipements de dépôt chimique en phase vapeur et de processus thermiques précis et fiables au marché. Aujourd’hui, CVD dessert plusieurs industries, y compris les secteurs automobile et aérospatial.

CVD propose des services depuis plus de 40 ans. Cette expérience a permis à l’entreprise de se positionner comme une force pionnière sur le marché. Elle a également permis à la société d’améliorer et d’optimiser ses processus afin de maximiser les performances.

4. Applied Materials

(AMAT )

Applied Materials est devenu un acteur majeur du marché du ALD après avoir acquis Picosun en 2020. À cette époque, Picosun était l’un des fournisseurs de ALD les plus actifs de l’industrie. Applied Materials a tiré parti de son expérience et de son réseau pour innover de nouvelles méthodes et stratégies d’application de couches ultra-minces.

Aujourd’hui, Applied Materials propose des services ALD aux clients de niveau entreprise. Ces services comprennent des lignes de production clés en main et des offres de recherche. De plus, les entreprises peuvent exploiter les conseils d’Applied Materials pour rationaliser la création et l’intégration des services ALD.

L’intelligence artificielle améliore le ALD

L’une des raisons pour lesquelles le ALD s’est amélioré au cours des dernières années est l’intégration d’algorithmes d’IA. Plus précisément, les algorithmes d’apprentissage automatique permettent aux développeurs de créer et de tester virtuellement de nouveaux composés. Cette capacité réduit considérablement les coûts de R&D et permet aux développeurs de voir comment certains matériaux interagissent sans avoir besoin de machines spéciales pour accomplir la tâche.

Les algorithmes d’apprentissage automatique peuvent exécuter des millions d’essais pour identifier d’éventuels points faibles ou seuils. Ce type d’IA est très efficace et ne nécessite d’être enseigné qu’une seule fois pour accomplir les tâches de manière optimale. De plus, les réseaux neuronaux d’apprentissage pourraient permettre à l’IA de recommander de nouveaux matériaux et de mener les tests et le développement de manière autonome.

La simulation par IA est un facteur de changement pour de nombreuses raisons. Tout d’abord, ces tests permettent de pousser leurs créations à leurs limites absolues sans endommager les objets dans le monde réel. Les développeurs peuvent créer, tester et réajuster tout virtuellement avant d’investir dans des méthodes de fabrication. De cette manière, l’IA pourrait être la clé pour débloquer de nouveaux niveaux de résilience et de méthodes d’application à l’avenir.

Expansion du marché du ALD

Le marché du ALD est en hausse, les rapports indiquant que +4,46 Mds de revenus ont été générés par la vente d’équipements ALD en 2023. Les mêmes données soulignent un potentiel de croissance important à l’avenir, avec un TCAC de 8,90 % prévu au cours de la prochaine décennie sur le marché américain uniquement.

Le rapport montre également que la demande accrue résulte de la miniaturisation continue des appareils électroniques et de l’amélioration des processus de fabrication. Les processus plus récents améliorent la qualité et réduisent les coûts d’application. Le même rapport indique également que la demande croissante de panneaux solaires constitue un autre catalyseur de l’expansion du ALD.

Il peut toujours devenir plus noir

La science de la création du matériau le plus noir continuera d’évoluer et de stimuler l’innovation dans tous les secteurs scientifiques. Des dispositifs optiques haut de gamme à l’exploration spatiale en passant par la capture des rayons solaires, les technologies ALD sont à la pointe de l’innovation. Pour ces raisons, il est judicieux de garder un œil sur ces entreprises dans les mois à venir.

Vous pouvez en savoir plus sur les projets blockchain passionnants ici.