Caractérisation du photocourant dans des états de polarisation intermédiaire

Dans cette section, les mesures sont réalisées sur un échantillon présentant des caractéristiques similaires à l’échantillon 2719 présenté précédemment. Il s’agit de l’échantillon 2693 qui consiste en 200nm de PZT 52/48 sur une électrode de SRO sur substrat de STO. Les propriétés ferroélectriques du PZT avec une électrode supérieure de ITO de dimensions latérales 100x100µm² et d’épaisseur 20nm sont présentées sur les figure 3.22a et b). Le décalage des cycles est important, d’une valeur ΔV = -1.95V. Les propriétés ferroélectriques de cet échantillon sont donc proches de celles de l’échantillon 2719 avec une électrode d’ITO de 100x100µm² (figure 3.16). Quelques différences peuvent toutefois être notées par rapport à l’échantillon 2719 : des valeurs de polarisations rémanentes plus élevées et un état de polarisation (après pré-polarisation à -3V) mieux différencié que celui après pré-polarisation à +3V.

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figure 3.22 : Cycle de a) courant b) polarisation d’une couche de PZT 52/48 (échantillon 2693) avec une électrode supérieure de ITO, de dimension 100x100µm².

3.3.3.1. Dépendance de la dynamique avec la longueur d’onde

Pour étudier l’effet de la longueur d’onde sur la dynamique du courant photoinduit, l’échantillon 2693 a préalablement été polarisé, puis un temps d’attente de 100sec a été utilisé pour permettre la relaxation diélectrique, en suivant donc le même protocole que pour l’échantillon 2719. Un éclairement à une longueur d’onde fixe a ensuite été envoyé pendant une centaine de secondes. Les résultats pour les deux tensions de pré-polarisation à ±4V sont présentés sur les figure 3.23a et b). Suite à une pré-polarisation à +4V, les courants photoinduits devraient être négatifs. Pour des longueurs d’ondes > 340nm, les Jsc

mesurées sont bien négatives, avec une variation au cours du temps quasi nulle. Pour des longueurs d’ondes incidentes de 330 et 340nm, entre la valeur initiale de photocourant à t=0s et la valeur après 100sec, une augmentation de l’amplitude de 0,7µA/cm² est mesurée. Pour des longueurs d’ondes < 330 nm, les valeurs initiales de photocourant sont positives, et décroissent au cours du temps, voire changent de signe pour λ=320nm.

Suite à une pré-polarisation à -4V, les courants devraient être positifs puisque le cycle ferroélectrique indique une polarisation rémanente vers le haut. Les courants photoinduits sont en réalité négatifs dès le début de l’éclairement, pour toutes les longueurs d’onde. L’état de polarisation vers le haut ne semble donc pas stable et après pré-polarisation à -4V, il est possible que la polarisation rémanente soit globalement vers le bas. Par contre l’évolution temporelle des courants photoinduits dépend de la longueur d’onde. Pour λ>340nm, les variations sont de nouveau faibles. Mais pour λ≤340nm, les valeurs de photocourants diminuent au cours du temps, de près de 70% pour λ=330nm.

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figure 3.23 : Mesure de Jsc(t) d’une couche de PZT 52/48 (échantillon 2693) avec une électrode supérieure de ITO, de dimension 100x100µm², illuminée à différentes longueurs d’onde après une pré-polarisation à a) +4V b) -4V.

3.3.3.2. Dépendance de la dynamique avec l’état de polarisation

Des mesures Jsc(t) ont été réalisées sur le même échantillon en faisant varier la longueur d’onde. Différentes tensions de pré-polarisation ont été appliquées, puis 60 secondes sont attendues en circuit fermé. A t=0, l’empilement est illuminé à une longueur d’onde de 400nm, changée toutes les 5sec avec un pas de 1nm jusqu’à une longueur d’onde de 250nm. Le résultat est présenté sur la figure 3.24(a), en fonction de la longueur d’onde incidente.

La densité de courant photoinduite après pré-polarisation à une tension positive importante (+8V) est négative, en accord avec la migration des porteurs selon le champ dépolarisant. Pour des tensions de pré-polarisation moins importantes (+6V ; +4V ; +2V ; -1V), la densité de courant est négative sous éclairement à des longueurs d’onde de 400nm jusqu’à ~300nm. Elle devient ainsi positive pour λ<λseuil. Au fur et à mesure que la tension de pré-polarisation diminue, la densité de courant devient positive à partir d’une longueur d’onde λseuil de plus en plus grande. En effet, pour une tension de +6V, la densité de courant est positive à partir de 288nm, contre 313nm à 1V. Pour une tension de polarisation négative à -4V, la densité de courant est majoritairement positive dans la gamme de longueur d’onde explorée, sauf pour les longueurs d’onde supérieures à 336nm.

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figure 3.24 : a) Mesure Jsc(λ) d’une couche de PZT 52/48 (échantillon 2693) avec une électrode supérieure de ITO, de dimension 100x100µm², pour différentes tensions de polarisation b) Mesure Jsc(λ) après polarisation à +4V, en faisant varier la longueur d’onde de 400 à 250nm, et de 250 à 400nm.

Ce comportement atypique a déjà été reporté dans la littérature [Pintilie 2010], et a été attribué à un champ interne modéré et un retournement de la polarisation à partir d’une certaine longueur d’onde. Ce dernier point est discutable. Il repose sur le fait que de nouvelles charges sont excitées pour des énergies incidentes supérieures au gap entrainant l’apparition d’un nouveau champ interne, et retournant ainsi la polarisation au cours de la mesure. Cette explication peut s’appliquer lorsque le sens de mesure est des petites énergies (400nm) vers les plus hautes énergies (250nm). La mesure précédente, à une polarisation de +4V, a également été réalisée dans l’autre sens, en faisant varier la longueur d’onde de 250nm à 400nm, représenté sur la figure 3.24 b). Elle montre exactement le même spectre de densité de courant. De plus, si ce nouveau champ interne dépend uniquement de la longueur d’onde, la raison de sa disparition totale dans le cas d’une polarisation préalable à +8V reste sujet à discussion.

Pintilie et al ont aussi évoqué la présence de défauts chargés lors de l’étape de pré-polarisation qui induisent un certain champ électrique interne. Sous éclairement, les porteurs photoinduits pourraient se recombiner avec les défauts chargés, modifiant ainsi le champ interne et par conséquent l’amplitude et le signe du courant photoinduit.

Une autre explication pourrait être liée à la répartition des domaines ferroélectriques dans l’épaisseur de la couche. La polarisation rémanente du PZT(52/48) tend à être faible à la composition morphotropique, comme présenté au chapitre 1. De plus, il peut exister des domaines préférentiellement orientés vers le haut ou vers le bas à proximité des interfaces avec l’électrode de SRO et de ITO. Eclairer l’échantillon à différentes longueurs d’onde implique différentes épaisseurs excitées. Les données d’ellipsométrie indiquent en effet qu’à 400nm, la longueur de pénétration est de 250nm, une valeur dix fois supérieure à celle à 300nm qui est de 28nm. Pour une pré-polarisation donnée, le signe du photocourant à une longueur d’onde et sa variation en fonction de la longueur d’onde pourrait donc refléter le profil de polarisation selon l’épaisseur de la couche de PZT. Ce protocole de mesure, pourrait donc permettre de déterminer la répartition de la polarisation sur l’épaisseur, et cela sans champ électrique appliqué.

Enfin, ces résultats ouvrent la perspective de développement d’un dispositif où le sens du photocourant peut être modulé par la longueur d’onde incidente, et dans l’optique d’une utilisation en

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photostriction, où le sens du champ électrique photoinduit peut être modulé par la longueur d’onde incidente.