Published November 2022 | Version v1
Journal article

Influence of process parameters on energetic properties of sputter-deposited Al/CuO reactive multilayers

Others:
Équipe Nano-ingénierie et intégration des oxydes métalliques et de leurs interfaces (LAAS-NEO) ; Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS) ; Université Toulouse 1 Capitole (UT1) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse 1 Capitole (UT1) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Service Techniques et Équipements Appliqués à la Microélectronique (LAAS-TEAM) ; Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS) ; Université Toulouse 1 Capitole (UT1) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse 1 Capitole (UT1) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Centre de microcaractérisation Raimond Castaing (CMCR) ; Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
ONERA / DPHY, Université de Toulouse [Toulouse] ; ONERA-PRES Université de Toulouse

Description

In this study we demonstrate the effect of change of the sputtering power and the deposition pressure on the ignition and the combustion properties of Al/CuO reactive thin films. A reduced sputtering power of Al along with the deposition carried out at a higher-pressure result in a high-quality thin film showing a 200% improvement in the burn rate and a 50% drop in the ignition energy. This highlights the direct implication of the change of the process parameters on the responsivity and the reactivity of the reactive film while maintaining the Al and CuO thin-film integrity both crystallographically and chemically. Atomically resolved structural and chemical analyzes enabled us to qualitatively determine how the microstructural differences at the interface (thickness, stress level, delamination at high temperatures and intermixing) facilitate the Al and O migrations and impact the overall nano-thermite reactivity. We found that the deposition of CuO under low pressure produces well-defined and similar Al-CuO and CuO-Al interfaces with the least expected intermixing. Our investigations also showed that the magnitude of residual stress induced during the deposition plays a decisive role in influencing the overall nano-thermite reactivity. Higher is the magnitude of the tensile residual stress induced, stronger is the presence of gaseous oxygen at the interface. By contrast, high compressive interfacial stress aids in preserving the Al atoms for the main reaction while not getting expended in the interface thickening. Overall, this analysis helped in understanding the effect of change of deposition conditions on the reactivity of Al/CuO nanolaminates and several handles that may be pulled to optimize the process better by means of physical engineering of the interfaces.

Abstract

International audience

Additional details

Created:
December 3, 2022
Modified:
December 1, 2023