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Mieux qu'une peinture : un revêtement coloré ultraléger et ultrafin

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Des chercheurs ont mis au point une nouvelle technique de revêtement par dépôt d'un film métallique ultra-mince, et sont même parvenus à obtenir différentes colorations. Applicable à tout type de substrat, la méthode intéresserait l'industrie car ce revêtement représenterait une réduction de poids considérable.

Le procédé de revêtement ultramince mis au point par une équipe de l'université de Harvard permet de colorer de teintes vives un substrat, même brut, grâce à des effets d'interférences. © Eliza Grinnell

En 2012 déjà, des chercheurs du Laboratory for Integrated Science and Engineering de l'université de Havard avaient mis au point une technique de revêtement basée sur le dépôt d'une couche de seulement quelques nanomètres d'épaisseur d'un semi-conducteur. Même si celui-ci était de couleur grise, la pièce recouverte apparaissait vivement colorée grâce à un jeu d'interférences. Un peu comme celui que l'on peut observer lorsque des gouttes d'essence flottent à la surface d'une flaque d'eau.

Cette technique de revêtement, bien que prometteuse, ne permettait alors de traiter que des surfaces plates et lisses. Mais l'équipe américaine est, depuis, allée plus loin. Elle vient de publier des résultats complémentaires dans la revue Applied Physics Letters. Malgré la sensibilité des phénomènes d'interférences, elle annonce que la méthode peut être étendue à pratiquement n'importe quelle surface brute, ce qui était loin d'être évident. Une feuille de papier, par exemple, présente des collines et des vallées, des imperfections dues à la nature fibreuse du matériau. Des imperfections qui auraient pu perturber les phénomènes d'interférences que recherchaient les scientifiques. Mais il n'en est rien car le film déposé est tellement mince que l'interaction avec la lumière se fait instantanément et quel que soit l'angle sous lequel la pièce recouverte est regardée.

Pour parvenir à ses fins, l'équipe de l'université de Harvard utilise un simple évaporateur par faisceau d'électrons. Ce type d'instrument sert classiquement au dépôt de fines couches métalliques. Le flux d'électrons bombarde et vaporise une cible constituée du matériau destiné à être déposé. Ce dernier précipite ensuite sous forme solide sur le substrat à traiter. L'ensemble du processus a lieu sous vide. Ici, à une pression de 10-6 torr, soit seulement un milliardième de la pression atmosphérique. Le faisceau d'électrons frappe une cible en or déposée dans un creuset en carbone. L'or est ainsi pulvérisé dans la chambre de la machine et se dépose sur le substrat en papier. Le processus est alors répété, mais cette fois avec une cible en germanium. Selon l'épaisseur de germanium déposée, la feuille de papier apparaîtra bleue... ou rouge. Et d'autres alliances de métaux peuvent être choisies. L'équipe de Harvard a d'ailleurs d'ores et déjà validé la technique avec de l'aluminium.

À la sortie de l'appareil, l'échantillon est revêtu d'une fine couche métallique. Le pochoir sur lequel le germanium s'est déposé directement est gris, comme la couleur naturelle du germanium. Le reste du papier, sur lequel le germanium s'est déposé sur la couche d'or, apparaît mauve.

Une méthode à améliorer mais de vraies applications possibles

« L'utilisation d'un évaporateur par faisceau d'électrons ne nous permet pas d'obtenir une homogénéité parfaite », précise Mikhail Kats, l'un des chercheurs impliqués dans l'étude. Ainsi de subtiles nuances de couleur apparaissent-elles sur la feuille de papier recouverte. De quoi satisfaire, par exemple, les décorateurs à la recherche d'effets nacrés. « En utilisant d'autres techniques de dépôt de films minces, comme la pulvérisation réactive, par exemple, le revêtement pourrait être parfaitement homogène et les nuances totalement lissées. »

Grâce à cette méthode, une épaisseur de seulement 10 nanomètres suffit à recouvrir efficacement une pièce métallique lisse. Si le substrat est plus brut, un dépôt métallique préalable de 30 nanomètres sera nécessaire. Mais on reste bien en dessous de la dizaine de microns de la peinture traditionnelle indispensable pour obtenir le même effet. Un détail qui a son importance, notamment lorsqu'il s'agit d'applications pour lesquelles le poids du revêtement compte. Les chercheurs de l'université de Harvard citent l'exemple du réservoir de carburant externe de la navette spatiale de la Nasa. Une couche de peinture blanche lui avait ajouté près de 275 kg.

Une autre caractéristique de ce nouveau revêtement : il absorbe une grande partie de la lumière qu'il reçoit. Ceci pourrait lui permettre de trouver des applications en optoélectronique ou même dans le domaine de la fabrication de cellules solaires. Et comme il peut être déposé sur des substrat flexibles, rien n'empêche d'imaginer l'incorporer à des systèmes optoélectroniques souples, enroulables ou pliables.

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