Sciences - Rapports

1.          Présentation des systèmes de déposition et d’analyse

Pour déposer les couches minces dans le laboratoire, nous utilisons la méthode de pulvérisation cathodique, il existe cependant d’autres méthodes de déposition.

1.1.            Les différents principes de déposition des couches minces.

La pulvérisation cathodique magnétron

Le système est constitué d'une chambre dans laquelle le vide est effectué et qui est ensuite remplie d'argon (gaz inerte) à basse pression. Dans cette chambre on trouve deux électrodes entre lesquelles une différence de potentiel continu est appliquée: l’anode reliée à la masse et la cathode chargée négativement. Le matériau à déposer, présenté sous forme de plaque circulaire et appelé cible, est fixé à la cathode. Un plasma se produit grâce à la tension électrique ionisant ainsi l’argon. Les ions sont alors attirés par la cathode (négative) et viennent bombarder la cible dont les atomes sont éjectés et vont se déposer sur la surface du substrat. L’ion peut aussi libérer des électrons de la cible qui vont aider à ioniser le gaz. Le champ magnétique produit par les aimants (effet magnétron) piège des électrons dans des configurations de boucles fermées : les trajectoires électroniques s'enroulent autour des lignes de champ magnétique augmentant considérablement les chances d'ioniser un atome de gaz au voisinage de la cathode. Cela entraîne une vitesse de pulvérisation donc de dépôt beaucoup plus grande.

Les principaux paramètres influençant la qualité du dépôt sont la pression et la nature du gaz, la puissance de l'alimentation et la température du substrat. 

Illustration n°8: La pulvérisation cathodique magnétron

1.     Présentation du lieu d’étude

L'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, plus connue sous l'acronyme CERN est le plus grand laboratoire de physique des particules du monde.

1.1.            Le CERN, une aventure dans le temps

Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale la recherche européenne en physique est quasi-inexistante. C'est en 1949, lors de la Conférence Européenne de la Culture à Lausanne, que le français Louis de Broglie (Prix Nobel de physique en 1929) avance l'idée de créer un laboratoire scientifique européen.

En 1952, avec le soutien de l'UNESCO qui favorise la création de laboratoires scientifiques régionaux, 12 états européens décident de créer un Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN). Les premiers travaux pour la construction du laboratoire et de son accélérateur commencent au mois de mai 1954.

La convention du CERN qui l’officialise fut signée le 29 septembre 1954 ; elle compte aujourd’hui 20 signataires : L’Allemagne, L’Autriche, la Belgique, la Bulgarie, le Danemark, l’Espagne, la Finlande, la France, la Grèce, la Hongrie, l’Italie, la Norvège, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal, la République Slovaque, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse.

Cette titanesque organisation qu’est le CERN coûte environ 2,6 milliards d’euros pour les instruments et 6 milliards d’euros en comptant le personnel. La facture énergétique est de 800 000 MWh/an lorsque le centre est opérationnel, soit la consommation du canton de Genève (On interrompt pendant deux mois en hiver les activités au CERN).

On compte aujourd’hui 2 645 employés à temps pleins et 7 931 employés temporaires.

Le directeur général actuel se nomme Rolf Heuer.

Le site du CERN se situe à la frontière franco-suisse, sur les communes de Meyrin (canton de Genève), de Saint-Genis-Pouilly et de Ferney-Voltaire (département de l'Ain).

Illustration n°1 : localisation du bâtiment où  s’est déroulé mon stage

L’absorption atomique est une méthode d’analyse quantitative qui requiert une bonne précision quant à la préparation des échantillons et des réglages préliminaires. Nous avons pu remarquer que l’absorbance d’une solution varie beaucoup en fonction de plusieurs paramètres. C’est pourquoi, afin d’obtenir des résultats d’absorbance correctes, il faut tout d’abord régler la hauteur de la flamme, la largeur de la fente ou encore le débit d’acétylène. D’autre part, les dilutions doivent être suffisamment précises afin de connaitre exactement la concentration de l’élément à analyser.

Par ailleurs, nous avons pu constater que la mise en évidence des interférences chimiques est complexe à révéler. Des domaines de concentrations et d’acidité doivent être rigoureusement respectés afin que ces interférences puissent être convenablement observées.

2.4.b. Interférences avec les ions phosphates

Afin de mettre en évidence que plusieurs ions interférent avec ceux de calcium, nous avons mesuré l’absorbance de diverses solutions en présence d’ions phosphate. D’après le manuel d’utilisation du spectromètre de Perkin-Elmer, les ions phosphates réagissaient avec ceux de calcium pour former du phosphate de calcium. La formation de ce composé a une influence importante quant aux mesures d’absorption du calcium. Lorsqu’on ajoute une solution de sulfate, l’absorbance de la solution diminue fortement.

 Pour préparer nos solutions étalons, nous disposons d’une solution de H₃PO₄ à 4mol/L. Connaissant la masse molaire de H₃PO₄ (M_H3PO4=98g/mol), nous avons pu convertir sa concentration molaire en concentration massique. La solution initiale avait donc une concentration massique de 392g/L. Cette concentration étant beaucoup trop élevée, nous avons tout d’abord réalisé deux dilutions, une première  par 100 puis une autre par 10. La concentration finale de H₃PO₄ est donc de 3.92mg/L. A l’aide de cette solution, nous avons préparé cinq solutions S₁, S₂, S₃, S₄ et S₅ respectivement de concentration en H₃PO₄, 0.25mg/L, 0.5mg/L, 1mg/L, 1.5mg/L et 2mg/L. Le solvant utilisé ici est de l’eau distillée.

Après avoir mesuré l’absorbance de chaque solution, nous avons obtenu les résultats suivants :

On remarque que les résultats obtenus ne correspondent pas avec ce que nous avions prévu théoriquement. Les variations d’absorbance observées n’évoluent pas significativement. Normalement, l’absorbance de la solution devrait diminuer au fur et à mesure qu’on ajoute de l’acide phosphorique car le phosphate réagit avec le calcium.

Dans le but de comprendre nos résultats expérimentaux, nous avons calculé la valeur à partir de laquelle une variation d’absorbance est significative. A l’aide d’une droite de calibration à une hauteur de flamme, un débit et une largeur de fente définis, nous avons obtenu l’équation suivante :

A = 6.77.10^-2 [Ca²⁺] – 5.59.10^-4         r² = 0.999594

D’après le manuel du constructeur, nous avons vu que la sensibilité de l’appareil était de 0.092mg/L.

ΔA = 6.77.10^-2 ΔC

ΔA = 6.77.10^-2 * 0.092 = 0.006

Une variation d’absorbance significative doit donc être supérieure à 0.006. Les variations que nous avons obtenues sont toutes inférieures à 0.006 ; On ne peut donc pas détecter ces variations d’absorbance. En effet, ce ne sont que les ions PO₄^3- qui interférent avec le calcium. H₃PO₄ ne réagit donc pas le calcium ; il n’y a pas d’interférences.

La solution de phosphate étant acide (H₃PO₄), nous avons supposé que le milieu acide faussait les mesures d’absorbances. Nous avons donc essayé de travailler en milieu basique afin de déterminer si le pH de la solution était un facteur important. Pour cela, nous avons utilisé une solution de soude (NaOH) à 0.5mol/L. La solution de soude va réagir avec H₃PO₄ pour éliminer les ions H+ et ainsi remonter le pH de la solution pour qu’elle devienne plus basique.

Nous avons donc prélevé 1mL de NaOH à 0.5mol/L que nous avons introduit dans une fiole de 50mL puis nous avons complété avec les solutions S₁, S₂, S₃, S₄ et S₅ que nous avons fabriqué précédemment.

Après avoir mesuré les absorbances de nos cinq solutions, nous avons obtenu les résultats suivants :

On remarque que les résultats obtenus ne sont toujours pas significatifs. Les variations d’absorbances observées ne mettent pas en évidence l’influence du pH de la solution. Cela est du à la préparation des solutions à analyser. Les concentrations en calcium et en NaOH dans chaque solution ne sont peut être pas exactement les mêmes, ce qui expliquerait les résultats que nous avons obtenu.

Afin d’être plus précis dans la préparation de nos échantillons, nous avons effectué la méthode des ajouts dosés. Nous avons donc préparé un plus grand volume de solution à analyser (V=200mL) afin de garder au maximum un volume constant. Pour réaliser cette solution, nous avons prélevé 10mL de CaCl₂ à 40mg/L, nous avons ajouté 10mL de NaOH à 0.2mol/L puis nous avons complété avec de l’eau distillée. Nous avons ensuite effectué des ajouts de 128μL de H₃PO₄ à 392mg/L. A chaque ajout, nous avons mesuré l’absorbance de la solution ; les résultats obtenus sont les suivants :

Les résultats expérimentaux sont donc significatifs. Ils mettent bien en évidence que plus la concentration en ions phosphates augmente dans la solution, plus les valeurs d’absorbance de cette dernière diminuent. Les ions phosphate vont donc réagir avec les ions calcium et ainsi former du phosphate de calcium.

On peut donc supposer que la variation de volume, du à l’aspiration de la solution dans le nébuliseur, influe sur les mesures d’absorbances réalisées.

Une fois cet ion interférent mis en évidence, nous avons essayé d’exploiter l’effet d’un ajout de chlorure de lanthane. Théoriquement, le lanthane devait réagir avec le phosphate pour éviter que ce dernier réagisse avec le calcium. Pour cela, nous avons réalisé la même solution que précédemment en ajoutant 20mL de chlorure de lanthane. Lors de la préparation de cette solution, nous avons pu remarquer qu’il y avait formation d’un précipité.  En effet, le lanthane précipite avec la soude.