Dépôt chimique en solution

Justus von Liebig publia en 1865 un article décrivant l'emploi de cette technique avec de l'argent pour obtenir des miroirs[6], bien que, de nos jours, on emploie plutôt des techniques d'électroplacage et de dépôt sous vide. Des couches minces de sulfure de plomb PbS et de séléniure de plomb PbSe déposées par bain chimique ont probablement été utilisées pendant la Seconde Guerre mondiale dans des détecteurs infrarouges car elles sont photoconductrices dans ces conditions[1].

La production de cellules photovoltaïques polycristallines est une application importante du dépôt chimique en solution parce que cette méthode offre un excellent rapport entre la performance des couches minces semiconductrices obtenues et le coût de revient complet de tels composants. Cette méthode donne en effet des cristaux plus petits avec une largeur de bande interdite accrue, notamment avec le sulfure de cadmium CdS, principale substance utilisée avec cette technique dans la production de cellules au tellurure de cadmium CdTe[1] - [2].

Des couches minces déposées par bain chimique peuvent être utilisées pour absorber certaines longueurs d'onde et en réfléchir ou en transmettre d'autres car la largeur de bande interdite de ces matériaux peut être contrôlée finement par cette méthode de dépôt. Ceci peut être mis à profit pour réaliser des traitements antireflet, des filtres optiques, des polariseurs, des surfaces réfléchissantes, etc.[1] - [4]. On les retrouve ainsi dans la fabrication de panneaux solaires, de LED, de varistances et de bien d'autres équipements.

Le dépôt chimique en solution permet de produire des couches minces en nanoparticules de semiconducteurs ou de céramiques dont les propriétés et la nanostructure peuvent être étroitement contrôlées avec une fiabilité d'ordre nanométrique. Ces matériaux présentent une épaisseur, une composition et une géométrie uniformes sur la surface du substrat, dont ils épousent précisément la forme et la structure[1] - [4]. Il est ainsi possible d'obtenir des couches épitaxiales polycristallines, des réseaux poreux, des nanotiges, des super-réseaux et des matériaux composites[5].

Dans ce mode de déposition, les ions solvatés du précurseur précipitent directement pour former la couche mince déposée. C'est par exemple le cas avec la déposition de sulfure de cadmium CdS[9] :

Cd²⁺_(aq) + S²⁻_(aq) ⟶ CdS↓.

Les conditions sont contrôlées de telle sorte qu'il se forme peu d'anions hydroxyde OH⁻ susceptibles de bloquer la déposition ou la précipitation d'hydroxyde métallique insoluble. Un chélateur peut parfois être employé pour prévenir la formation d'hydroxyde métallique. Le sel métallique et le sel de chalcogénure se dissocient pour former les cations métalliques et anions chalcogénures précurseurs du matériau à déposer ; ces espèces sont attirées par la surface du substrat par les forces de van der Waals[8] - [9]. Cette méthode conduit à des cristaux plus gros et moins uniformes que celle par agrégats d'hydroxydes.

La déposition se déroule en présence d'anions hydroxyde OH⁻ dans la solution et conduit généralement à la formation de cristaux plus petits et plus uniformes que le mécanisme ion par ion. La déposition de sulfure de cadmium CdS est alors représentée par les réactions idéalisées suivantes, qui passent par l'hydroxyde de cadmium Cd(OH)₂[9] :

n Cd²⁺_(aq) + 2n OH⁻_(aq) ⟶ [Cd(OH)₂]_n↓.

[Cd(OH)₂]_n + n S²⁻_(aq) ⟶ n CdS↓ + 2n OH⁻_(aq).

La présence massive d'anions hydroxyde dans la solution conduit à la formation d'hydroxyde métallique qui s'assemble en agrégats (clusters) en suspension, lesquels sont dispersés dans la solution et se déposent sur le substrat sous l'effet des forces de van der Waals. Ces agrégats agissent comme autant de centres de nucléation de cristallites en réagissant avec les anions chalcogénures et conduisent à la formation de multiples cristaux plus petits et plus homogènes que par la réaction ion par ion[8] - [9].