Évaluation de l’activité photo-catalytique des couches de TiO 2 non dopées dans la région UV . 137

de TiO

non dopées dans la région UV

Afin d’évaluer l’influence de la température de synthèse et de la puissance de la décharge plasma sur la sensibilité du matériau à la lumière, la photo-dégradation de l’acide stéarique, une molécule organique à longue chaîne hydrocarbonée choisie pour simuler un polluant, a été suivie au cours du temps selon la procédure décrite dans le chapitre II.

L’évolution de l’aire des pics sur un substrat vierge de silicium, irradié par les UV jusqu’à 100 minutes pendant des intervalles de 20 minutes, est présentée sur la Figure III. 15

.

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Figure III. 15 : Évolution des pics C-H de l'acide stéarique sur substrat vierge Si suite à l'irradiation UV

pendant des intervalles de 20 minutes.

Aucune dégradation de l’acide stéarique n’est observée sur le substrat vierge de silicium par le fait que les pics de stretching de C-H n’évoluent pas entre 2800 cm-1 et 3000 cm-1.

En effet, le gap énergétique du silicium, d’une valeur de 1,1 eV, est trop restreint pour absorber des longueurs d’onde dans la zone des UV-A-, ce qui est le cas de la lampe UV utilisée (Eurosolar™, 75 W, décrite dans le Chapitre II). L’évolution des pics de l’acide stéarique sur le substrat de silicium revêtu des couches PECVD de TiO2 (préparées à 64 W) et 150 °C, 250 °C, 300 °C ou 350 °C est rapportée sur la Figure III. 16

.

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Figure III. 16 : Évolution des pics C-H de l'acide stéarique sur les couches PECVD de TiO2 déposées sur Si à 64 W (a) 150 °C, (b) 250 °C, (c) 300 °C et 350 °C suite à l'irradiation UV pendant des intervalles de

20 minutes.

La diminution progressive des pics de l’acide stéarique entre 2800 cm-1 et 3000 cm^-1 est observable après revêtement du silicium par une couche PECVD de TiO2.

Les évolutions des pics d’acide stéarique à la surface des couches de TiO2 déposées sur silicium à 100 W et 150 °C, 250 °C, 300 °C ou 350 °C, sont présentées sur la Figure III. 17

.

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Figure III. 17 : Évolution des pics C-H de l'acide stéarique sur les couches PECVD de TiO2 déposées sur Si à 100 W (a) 150 °C, (b) 250 °C, (c) 300 °C et 350 °C suite à l'irradiation UV pendant des intervalles de

20 minutes.

Comme pour les couches PECVD de TiO2 déposées à 64 W, les pics d’acide stéarique dans la zone 2800 cm^-1-3000 cm^-1 évoluent à chaque intervalle de 20 minutes d’irradiation. A 100 minutes, les pics d’acide ont bien diminué.

Les rendements photo-catalytiques ont été calculés afin de suivre l’efficacité et la cinétique de dégradation des molécules d’acide à la surface des couches préparées à 64 W et à 100 W.

Le rendement photo-catalytique est donné par la relation [16]:

R

=(1 −

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A étant l’intégration des pics de C-H à l’instant t, A0 l’intégration des pics de C-H avant irradiation et R le rendement de la photo-dégradation de l’acide à la surface de la couche.

Les rendements de la photo-dégradation pour les deux familles de dépôts réalisés à 64 W et à 100

W sont rapportés sur la Figure III. 18

.

Figure III. 18 : Courbes de la cinétique de photo-dégradation de l'acide stéarique sous UV à la surface

des revêtements PECVD de TiO2 déposés à (a) 64 W et (b) à 100 W.

Pour les couches déposées à 64 W et à basses températures (150 °C et 250 °C), la variation est faiblement détectée alors qu’à partir de 300 °C, la dégradation s’accélère. Une cinétique de dégradation plus rapide est observée à la surface des échantillons déposés à 100 W, pour les températures 150 °C et 250 °C, par rapport à leurs similaires synthétisés à 64 W (Figure III. 18

(a)). Les échantillons étant amorphes à ces deux températures et ce quelle que soit la puissance de

la décharge plasma, ce n’est pas la cristallinité qui peut permettre d’expliquer les différences de vitesse de dégradation entre les deux familles de dépôts (préparées aux deux puissances). Les autres facteurs pouvant expliquer ces différences sont l’absorbance optique, l’état de surface et la microstructure des couches. Les couches préparées à 100 W et 150 °C ou 250 °C présentent des pics de résonance plasmonique Ti-OH (Figure III. 14). La couche synthétisée à 64 W, 250 °C présente uniquement un pic de résonance plasmon (Figure III. 13 UV-Vis). Pourtant, la cinétique à 100 W est plus rapide qu’à 64 W dans le cas des deux températures. Ceci suggère une contribution des liaisons Ti-OH dans les écarts de cinétique entre les deux familles de dépôts. Un

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écart existe aussi entre la microstructure des couches synthétisées aux deux puissances plasma (64 W et 100 W). Cet écart est dû au fait qu’à faible puissance plasma (64 W), le matériau possède un caractère plus ‘organique’ lié à la faible fragmentation du précurseur, ce qui est d’autant plus vrai que la température est basse. Alors qu’à plus forte puissance (100 W), le matériau est de nature plus ‘inorganique’ suite à l’abondance d’espèces réactives dans la phase plasma. Donc, à 150 °C et 250 °C pour les deux puissances plasma, les écarts d’activités photo-catalytiques sont liés à des différences d’état de surface, contrôlé par la présence de liaisons Ti-OH qui accélèrent la dégradation des molécules d’acide stéarique. De plus, l’activité photo-catalytique plus élevée à 100 W pour ces deux températures est également liée à une microstructure plus inorganique et réticulée à 100 W en faveur du déplacement de charges vers la surface. Les recombinaisons de charges sont alors limitées par rapport à une structure moins réticulée à 64 W.

Concernant la famille des matériaux préparés à 64 W, les cinétiques de photo-dégradation à la surface des échantillons déposés à 150 °C et 250 °C sont similaires et le rendement ne dépasse pas 30% pour ces échantillons même après 100 minutes d’exposition aux UV. Malgré leur bonne absorbance dans le domaine des longueurs d’onde allant jusqu’à 350 nm (Figure III. 13), l’état amorphe, désordonné et compact du matériau à ces deux températures favorise les recombinaisons électron-trou (sites surfaciques d’oxydation et de réduction) et l’activité photo-catalytique reste limitée. A 300°C et de surcroit à 350°C, la disparition des liaisons Ti-OH et la formation des cristaux par croissance colonnaire déplace l’absorbance jusqu’à 388 nm et la durée de vie des paires électron-trou est prolongée. Les porteurs de charge parcourent alors un espace ordonné, contenant une moindre teneur en défauts [14] dans lequel ils risquent moins de se recombiner par collisions avec le réseau. La cinétique de dégradation la plus rapide est donc logiquement observée sur les revêtements synthétisés à 350 °C.

S’agissant des dépôts préparés à 100 W, l’augmentation de l’activité photo-catalytique avec la température de dépôt (comme observée pour l’autre puissance) n’est pas respectée. En effet, une légère diminution de l’activité photo-catalytique de l’échantillon déposé à 100 W et 300°C est observée par rapport à celle de l’échantillon déposé à 100 W et 250°C. En outre, pour une température de dépôt de 350°C, le rendement photo-catalytique du matériau déposé à 100 W (70%) reste inférieur (d’environ 10%) à celui atteint avec le matériau déposé à 64 W à la même température. Selon les précédents résultats relatifs aux absorbances UV-Visible (Figure III. 14), l’absorbance du matériau préparé à 100 W et à une température de dépôt supérieure à 300°C se

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déplace à des longueurs d’onde supérieures à 400 nm, c’est-à-dire à des longueurs d’onde bien supérieures à celle de la lampe UV utilisée pour les analyses de photo-dégradation. Ainsi les échantillons préparés à 100 W et au-delà de 300°C ne seraient pas très compétitifs dans le domaine de l’UV. Cet argument sera discuté plus en détail dans le prochain chapitre relatif au dopage du TiO2.

Un dernier point pour étudier l’effet des conditions de dépôt sur l’activité des couches dans l’UV est l’estimation de l’aire initiale d’acide stéarique sur le silicium d’une part, les dépôts préparés à 64 W et 100 W d’autre part. Les résultats sont présentés sur la Figure III. 19

.

Figure III. 19 : Intégration des pics stretching de C-H adsorbés initialement sur le silicium, et sur les

couches préparées à 64 W et celles synthétisées à 100 W aux différentes températures.

Le silicium présente très peu de sites d’adsorption de l’acide stéarique. Ceci provient du fait que la surface de ce substrat est lisse, dense, polie et brillante. L’affinité de la surface pour les molécules organiques d’acide stéarique suit la même variation pour les dépôts préparés à 64 W et à 100 W. Elle augmente légèrement avec la température de dépôt jusqu’à 300°C et puis plus brusquement entre 300 et 350 °C. Cette observation est corrélée avec le point de transition de phase entre dense/isotrope et cristallin/colonnaire entre 300 et 350 °C. En ce point de transition, les colonnes se forment, la rugosité surfacique augmente et l’acide stéarique s’adsorbe davantage en surface du matériau. L’affinité pour l’acide stéarique des couches préparées à 100 W est bien

125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 In té g ra ti o n d e s p ic s Température (°C) Silicium Dépôts à 64 W Dépôts à 100 W

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supérieure à celles des films déposés à 64 W. Ceci est corrélable aux valeurs des tailles de cristallites calculées dans la partie III.1. Les cristallites sont légèrement plus grosses à 100 W qu’à 64 W ce qui diminue l’infiltration de l’acide au sein du film. Ainsi davantage d’acide stéarique est alors détecté en surface. D’ailleurs, en marge des considérations optiques avancées précédemment, une plus grande adsorption initiale d’acide gras en surface de la couche préparée à 100 W, 350 °C pourrait expliquer le moindre rendement photo-catalytique (10% inférieur) par rapport à celui de la couche déposée à 64 W, 350°C.

III.7. Stabilité chimique des couches cristallines en milieu

aqueux acide

A ce stade de nos travaux, seules les couches déposées à 350 °C, température optimale pour un dépôt homogène et cristallisé, seront considérées.

Afin d’évaluer la stabilité des couches cristallines en milieu aqueux acide (milieu de fonctionnement en électrolyse acide), la diminution du pic infrarouge à 450 cm^-1 lié à la vibration de la liaison Ti-O dans la maille de TiO2, a été suivie en immergeant les couches préparées à 350 °C, 64 W ou 100 W dans une solution d’acide sulfurique (0,5 mol.L^-1) simulant l’électrolyte utilisé en photo-électrolyse de l’eau. Les résultats sont présentés sur la Figure III. 20

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Figure III. 20 : Spectres IRTF des couches de TiO2 déposées sur Si à 350 °C, (a) 64 W et (b) 100 W immergées pendant 48h dans de l'acide sulfurique (H2SO4 0,5 mol.L-1).

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Nous remarquons que les spectres infrarouges des couches déposées à 350 °C, que ce soit à 64 W ou à 100 W, se superposent presque parfaitement avant et après 48h d’immersion dans l’acide sulfurique. Seule une faible diminution du pic intense lié à la vibration de Ti-O dans le réseau cristallin (à 450 cm^-1) est observée, plus liée à la délamination de la couche (suite à son décollement du support silicium du fait d’écarts de propriétés mécaniques entre le support et la couche) qu’à sa dégradation en milieu acide.

Conclusions

Dans ce chapitre, les influences de la température de dépôt et de la puissance de la décharge plasma ont été étudiées dans le contexte du dépôt de couches TiO2 en procédé PECVD basse fréquence. L’intérêt de mener une telle étude réside dans le fait qu’aucune synthèse de TiO2 par PECVD dans la gamme des basses fréquences n’a été mentionnée dans la littérature jusqu’alors. Les conditions de pressions partielles de gaz et de temps de dépôt ont par ailleurs été optimisées dans une précédente étude de l’équipe [16].

A basses températures de dépôt (≤ 300°C), les couches sont riches en oxygène (caractérisées par un rapport O/Ti supérieur à 2) ce qui altère leur surface et dégrade leurs propriétés optiques. De plus, l’énergie de la bande interdite des couches élaborées jusqu’à 300 °C correspond à une absorbance dans le domaine des UV inférieure à 300 nm. Les dépôts préparés à 350°C (sans post-recuit) sont homogènes et cristallisés sous la forme anatase. A une telle température de dépôt, la stœchiométrie Ti : O (1 : 2) est atteinte. Le gap énergétique des couches déposées à 350 °C est bien celui de l’anatase, 3,2 eV, avec un maximum d’absorption à 388 nm. L’intérêt d’avoir pu démontrer la faisabilité de préparation de couches d’anatase à une température aussi faible que 350°C réside dans le fait que, dans le contexte de l’intégration ultérieure du film de TiO2 en cellule de photo-électrolyse, le support mécanique de la couche de TiO2 sera à base de silice poreuse présentant un risque de détérioration mécanique ou de ramollissement à de hautes températures. Aussi, la possibilité de déposer sur un tel support une couche mince, homogène et cristallisée à une température aussi faible que 350°C constitue une avancée remarquable. En outre, le fait de pouvoir obtenir le film désiré en une seule étape à température modérée va dans le sens d’une économie de temps et d’énergie par rapport à d’autres procédés de synthèse de couches minces plus classiques.

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Du point de vue fonctionnel, les couches cristallisées déposées à 100 W, 350°C présentent une moindre activité photo-catalytique (vis-à-vis de la dégradation d’une molécule organique, l’acide stéarique) que celles préparées à 64 W à la même température de dépôt. Ce fait est relié aux différences de propriétés structurales et optiques des deux familles de dépôts; en effet, les dépôts réalisés à 100 W, renfermant des liaisons Ti-O-Ti plus fragiles que celles des couches préparées à 64 W, présentent une mobilité de charges plus importante. Ces charges mobiles sont responsables d’une certaine absorbance dans le visible au détriment de celle dans les UV.

Un autre argument en défaveur des couches préparées à 100 W est qu’elles présentent une morphologie surfacique telle qu’elles adsorbent plus d’acide stéarique que les couches déposées à 64 W ; certaines molécules d’acide stéarique peuvent alors résider plus de temps à la surface de la couche ce qui ralentit la dégradation.

Dans la suite de l’étude s’intéressant au dopage des couches, le paramètre température de dépôt est fixé à 350 °C permettant l’obtention de couches homogènes, cristallisées, photo-actives et stables en milieu aqueux acide.

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