ATHERM_COAT : Thermodynamique accélérée et données à haut débit pour l’optimisation des revêtements des composants pour la transition énergétique
Pilote : Ioana NUTA
SIMaP – Sciences et Ingénierie, Matériaux, Procédés
(UMR 5266 CNRS/Grenoble INP/Univ. Grenoble Alpes)
Mots clés : Spectrométrie de masse, Détermination de Données Thermodynamiques, Précurseurs chimiques, Optimisation de procédés DLI-MOCVD et ALD, Simulation, Conception numérique sous contrainte
L’objectif prioritaire du projet ATHERM_COAT est de mettre en place un outil d’acquisition de données thermodynamiques sur les précurseurs organométalliques et leurs produits de décomposition afin de pouvoir accélérer le développement de solutions de revêtements par CVD et ALD et d’augmenter notre souveraineté scientifique et technologique dans ce domaine, en particulier pour des applications concernant les transitions énergétique et numérique. Cet outil permettra de renforcer une plate-forme nationale de spectrométrie de masse au meilleur état de l’art et stratégique pour la génération de données thermodynamiques pour la science et l’ingénierie des matériaux
L’un des objectifs importants de la thermochimie expérimentale est de produire suffisamment de données thermodynamiques pour permettre le calcul de la chaleur et de l’énergie libre de toute réaction chimique pour le développement de matériaux, revêtements ainsi que pour la réalisation de calculs ou simulations du comportement en service (par exemple pour le comportement en corrosion).
Dans le cas de la fabrication de revêtements par dépôts chimiques en phase vapeur CVD (Chemical Vapor Deposition) et ALD (Atomic Layer Deposition), une des premières étapes pour contrôler les dépôts est le choix des précurseurs (molécules qui transportées à l’état gazeux à la surface du substrat à recouvrir conduisent à la formation du dépôt). La pression de vapeur et la stabilité aux températures de vaporisation, de transport et de dépôt sont des propriétés déterminantes pour choisir le précurseur moléculaire approprié aux conditions d’obtention et propriétés désirées de la couche mince. La connaissance de la phase gazeuse lors du craquage thermique du précurseur est également nécessaire afin d’analyser les mécanismes possibles qui conduisent à la formation du dépôt. L’identification des molécules jouant un rôle dans le dépôt et la constitution d’une base de leurs données thermodynamiques sont également des préalables à une simulation du procédé de dépôt.
Le cas d’application et de démonstration méthodologique choisi dans le projet ATHERM_COAT est celui du développement de revêtements résistants à l’oxydation à haute température, par des technologies de type DLI MOCVD (Direct Liquid Injection Metal Organic Chemical Vapor Deposition) et ALD (Atomic Layer Deposition). Les applications visées de ces revêtements sont notamment les matériaux des électrolyseurs de l’eau à haute température pour la production d’hydrogène et les matériaux pour les gaines des combustibles nucléaires.
Par ailleurs, une fois les revêtements élaborés, ceux-ci peuvent également être optimisés vis-à-vis de leurs performances en service ainsi que dans une optique d’écoconception en minimisant les éléments critiques et/ou toxiques qui les composent. La thermodynamique (détermination de diagramme de phases stables et métastables sur des systèmes nouveaux) couplée à l’intelligence artificielle peuvent dans une certaine mesure permettre de guider ce type de choix et d’accélérer cette optimisation des solutions.
La démarche méthodologique générique développée dans le cadre du projet ciblé ATHERM_COAT sera ensuite généralisable à la résolution de nombreux cas de figures nécessitant le développement de revêtements innovants pour les transitions énergétique et numérique.