Évolution de l’intensité de P L des ions Er en fonction de la tem-

La figure4.13 présente l’évolution de l’intensité de P L des ions Er à 1,54µm pour les échantillons Si₁₇Er₂, Si₈,5Er₁ et Si₅Er₂ pour les différents recuits (⁄exc = 476 nm). Nous remarquons que les échantillons non recuits révèlent un signal optique d’ion Er

plus ou moins intense sans lien direct avec la concentration d’erbium introduite. Ceci est un résultat tout à fait surprenant. En effet, il est connu que la formation de nanocristaux de Si fortement luminescents se produit normalement pour des températures de recuit élevées allant jusqu’à1250¶C. Tandis qu’à basses températures, aucune phase cristalline et aucun émission de lumière visible ne sont observées [13,86].

4.3. Caractérisations optiques des couches minces SiOx dopées Er et corrélation avec la structure à l’échelle nanométrique

Figure 4.13 – Évolution de l’intensité de P L des ions Er à 1,54 µm en fonction de la tem-pérature de recuit pour les échantillons analysés (⁄exc= 476 nm).

Or, il a été démontré que des sensibilisateurs à l’échelle atomique de Si peuvent aboutir à l’excitation des ions Er [83,86]. Ainsi, l’émission observée des ions Er est révélateur de la formation de certaines entités à base deSi qui peuvent jouer le rôle de sensibilisateurs.

Nous pouvons cependant remarquer que l’intensité de PL des échantillons non recuits augmente avec l’excès de Si introduit. Or, comme nous l’avons montré précédemment (figure 4.2), les atomes de Si deviennent de plus en plus inhomogènes avec l’excès de

Si. Ceci peut donc expliquer cette hausse de PL résultant probablement des surconcen-trations locales en Si et de leurs proximités avec des ions Er³⁺. Ces zones riches en Si

jouent le rôle de sensibilisateurs et expliquent l’émission des ionsErobservée. L’intensité plus élevée pour l’échantillonSi₁₇Er₂ est reliée à l’état de décompositionSi≠SiO₂ plus avancé dans cet échantillon (voir figure4.2.c), qui contient un excès deSiplus important et peut favoriser une plus grande densité des sensibilisateurs de Si.

Chapitre 4. Caractérisation structurale et optique des couches minces SiOx

dopées Er

L’intensité de l’émission des ionsEr³⁺pour l’échantillonSi17Er2 croit avec la tempé-rature de recuit jusqu’à 600¶C puis décroit fortement à plus haute température jusqu’à devenir quasiment nulle à 1100¶C. Pour l’échantillon Si8,5Er1, l’intensité maximale de

P L est obtenue après recuit à 900¶C et puis devient également absente à1100¶C. C’est également le cas pour l’échantillonSi5Er2 à haute température. Cet échantillon présente la luminescence la plus intense après un recuit de 10h à 600¶C.

La perte de luminescence dans tous les échantillons à 1100¶C est due à la précipi-tation des ions Er³⁺ sous formes d’amas de compositions non clairement définies ou de

Er₂Si₂O₇ (voir figure4.4). Dans cette configuration, le transfert d’énergie des nanopar-ticules de Si vers les ions Er est inexistant. Le composé Er₂Si₂O₇ est connu dans la littérature pour être luminescent sous une excitation directe des ions Er [126,130,132], tout comme dans le cas du Ce pour lequel cette phase a montré une intense émission par excitation directe (cf. chapitre 3). Dans ce travail, nous n’avons pas eu les moyens de tester l’excitation directe des ions Er dans nos échantillons. Cependant, nous pou-vons attribuer l’absence de l’émission des ions Er³⁺ dans les échantillons à la perte de transfert d’énergie entre les nanoparticules de Siet les ions Er dans cette phase.

La forte luminescence à 900¶C pour l’échantillon Si₈,5Er₁ par rapport à celle pour

Si17Er2 peut être expliquée par sa nanostructure observée dans la figure 4.8. Des zones riches en Si sont bien présentes et sont dans un état moins inhomogène tant pour leSi

et pour l’Er que dans l’échantillon Si17Er2. Dans ce dernier, la précipitation de l’Er

explique la faible luminescence observée. L’échantillon Si₈,5Er₁ contient moins d’excès de Si et une concentration plus faible en Er que l’échantillon Si17Er2. La ségrégation du Siet d’Er sera moins rapide dans Si₈,5Er₁.

Afin de comprendre le comportement de la P L des ions Er pour des recuits plus faibles températures (à noter 1h et 10h à 600¶C), nous avons analysés ces échantillons en sonde atomique pour Si8,5Er1. Les figures 4.14.a et 4.14.b représentent des coupes planes des volumes reconstruits après analyse en sonde atomique de l’échantillonSi₈,5Er₁

recuit 1h à 600¶C et 10h à 600¶C respectivement. Ces volumes montrent que pour ces deux échantillons, nous avons toujours des zones riches en Si et en Er. Cependant,

4.3. Caractérisations optiques des couches minces SiOx dopées Er et corrélation avec la structure à l’échelle nanométrique

visuellement, il est difficile de conclure sur la différence entre ces zones. Pour cette raison, nous avons effectué des tests statistiques sur l’ échantillon Si₈,5Er₁ recuit 1h à 600¶C,

10hà600¶Cet1hà900¶C. Les résultats des tests sont présentés sur la figure4.14.c. Pour tous les échantillons la répartition des atomes deSiet des atomes d’Er ne peut pas être considérée comme aléatoire. Aussi, nous remarquons que la distribution des atomes deSi

et d’Er pour l’échantillon recuit1hà600¶C et1h à900¶C est quasiment identique alors que pour l’échantillon recuit10hà 600¶C, la distribution des atomes est plus écartée de la binomiale et une décomposition de phases opère. Ces observations expliquent laP Lde ces échantillons sur la figure4.13. En effet, aucune différence significative est notée dans la nanostructure deSi_8,5Er₁ recuit à1hà600¶Cet1hà900¶C. Alors cette augmentation de P L des ions Er après recuit 1h à 900¶C peut être attribuée à l’amélioration de la qualité de couche par la restauration des défauts non radiatifs. L’intensité de P L plus faible après recuit 10h à 600¶C est liée à l’état plus avancé de ségrégation des atomes d’Er comme démontré figure 4.14.c.

Chapitre 4. Caractérisation structurale et optique des couches minces SiOx dopées Er 100 200 300 3 4 5 6 ^{s (expérience) 1h@600°C}s (expérience) 10h@600°C s (expérience) 1h@900°C (binomiale) s (expérience) 1h@600°C s (expérience) 10h@600°C s (expérience) 1h@900°C (binomiale) Er

Nombre d'atomes par bloc

s et (% at .) Si 100 200 300 1.0 1.5 2.0

Nombre d'atomes par bloc

s et (% at .)

a) b)

c)

1h@600°C 10h@600°C

Figure 4.14 – Coupes planes du volume reconstruit de l’échantillon Si_8,5Er₁ recuit a)

1h@600¶C et b) 10h@600¶C. Volume : 20 ◊20 ◊9 nm³. c) Test statistique d’homogénéité appliqué sur l’échantillon Si_8,5Er₁ recuit 1h@600¶C,10h@600¶C et 1h@900¶C

4.3. Caractérisations optiques des couches minces SiOx dopées Er et corrélation avec la structure à l’échelle nanométrique

4.3.3 Photoluminescence des nanoparticules de Si dans le