de TCO (AZO et ITO) et d’argent, si bien qu’il permet de r´ealiser des ´echantillons de mani`ere plus reproductible et `a plus grand d´ebit.
2.2 Caract´erisation des propri´et´es opto-´electroniques
des couches minces de ZnO:Al
2.2.1 Propri´et´es optiques
D’un point de vue macroscopique, trois grandeurs caract´erisent le comportement op-tique d’un ´echantillon : le coefficient de r´eflexion ou r´eflectivit´e, not´e R, le coefficient de transmission ou transmittivit´e, not´eeT, et le coefficient d’absorption not´eA. Chacune de ces grandeurs d´esigne un rapport d’intensit´e (i.e. de puissance) entre deux flux lumineux ; ainsi, si l’on note I0 l’intensit´e du flux incident sur l’´echantillon, on peut d´efinir ces trois coefficients comme suit :
R= Iréf léchie I0 ; T = Itransmise I0 ; A= Iabsorbée I0 (2.1) La conservation de l’´energie impose la relation
R+T +A= 1 , (2.2)
si bien qu’on se contente de mesurer R etT, A´etant obtenu par soustraction.
Les mesures ont ´et´e effectu´ees sur une large gamme spectrale de 200 nm `a 5 µm par spectrophotom´etrie visible-infrarouge et FTIR. Ces proc´ed´es de mesure sont d´ecrits en d´etail dans l’annexe A.
2.2.2 Propri´et´es ´electriques
2.2.2.1 Mesure de r´esistance carr´ee
Le dispositif classique de mesure deR (1.2.1.3) comporte quatre pointes align´ees et ´equidistantes qui sont mises en contact avec la couche mince de TCO au moyen d’un
couvercle pivotant. Les deux pointes ext´erieures injectent un courant connu tandis que les deux pointes int´erieures recueillent la valeur de la tension engendr´ee par le passage du courant. Le rapport de ces deux valeurs donne une r´esistance qui n’est qu’un ordre de grandeur de la r´esistance carr´ee de la couche. Un facteur correctif ´egal `a π/ln(2), dˆu `a la g´eom´etrie du courant lorsqu’il n’est pas entrav´e par les bords de l’´echantillon [93], permet de retrouver la valeur exacte de R pourvu qu’on n’ait pas plac´e les pointes trop pr`es des bords.
Il existe aussi une m´ethode nomm´ee m´ethode de Van der Pauw, dans laquelle les quatre pointes sont dispos´ees selon les sommets d’un carr´e et o`u un calcul comparable permet de d´eterminer R `a partir de rapports tension/courant mesur´es sur les bords oppos´es du carr´e. Le facteur correctif est alors diff´erent. Cette disposition est celle qui permet aussi d’effectuer des mesures d’effet Hall.
2.2.2.2 Mesure par effet Hall
D’apr`es l’´equation (1.9), une mesure de R, donc de r´esistivit´e, ne permet donc pas de distinguer deux ´echantillons pour lesquels le produit Neµ est identique. Pour s´eparer ces deux grandeurs, il est possible d’utiliser un champ magn´etique B~ perpendiculaire `a la couche de mani`ere `a d´evier les ´electrons en mouvement. Plus leur vitesse moyenne ~v, proportionnelle `a leur mobilit´e, est ´elev´ee, plus ils sont d´evi´es par la force de Lorentz ´egale `a −e~v×B~. Ceci fait apparaˆıtre une tension transversale, dite tension tension Hall, d’autant plus grande que la mobilit´e est ´elev´ee (Figure 2.5).
Nous utilisons un ´equipement, le HMS-3000, muni d’un puissant aimant aux terres rares produisant un champ de 0.56 T dans lequel est plong´e l’´echantillon pendant les mesures ´electriques au moyen d’un support d´edi´e. L’appareil dispose de quatre pointes dispos´ees en carr´e et reli´ees `a un g´en´erateur. La disposition des pointes et la g´eom´etrie de l’´echantillon peuvent influencer la mesure, comme le d´etaille l’annexe B, ´el´ement `a prendre en compte pour assurer la reproductibilit´e des mesures.
2.2 Caract´erisation des propri´et´es opto-´electroniques des couches minces de ZnO:Al
Figure 2.5 – Effet Hall (d’apr`es [94])
2.2.3 Caract´erisations compl´ementaires : microstructure des films
2.2.3.1 Profilom´etrie `a stylet
Cet outil est utilis´e pour mesurer des ´epaisseurs et des rugosit´es : avant le d´epˆot,
un morceau de ruban adh´esif3
ou un masque en silicium est appliqu´e sur le substrat afin de cr´eer une marche dans la couche d´epos´ee. Cette marche permet par la suite de d´eterminer l’´epaisseur de la couche : un stylet en diamant de 12,5 microm`etres de rayon est maintenu en contact avec la surface de l’´echantillon `a analyser. La force appliqu´ee sur le stylet est maintenue constante et correspond `a un poids de 50 milligrammes. Le stylet r´ealise ensuite un balayage sur une distance choisie de mani`ere `a parcourir la marche. Les variations de position verticale du stylet g´en`erent un signal analogique qui est converti et recueilli. Le profilom`etre Dektak 3 peut mesurer des d´eplacements verticaux dans la
gamme 10nm-65µm.
2.2.3.2 Microscopie ´electronique `a balayage (MEB)
Un microscope optique utilise un faisceau de lumi`ere visible dont la longueur d’onde est de l’ordre de 500 nm. De ce fait, la r´esolution d’un tel microscope est limit´ee `a quelques centaines de nanom`etres en raison de la diffraction qui brouille tous les motifs de taille inf´erieure. A l’inverse, un microscope ´electronique utilise un faisceau d’´electrons acc´el´er´es `a une ´energie E de quelques kilovolts ; les ´electrons poss`edent une longueur d’onde de De Broglie4 ´egale `a [95] : λDB = s h2 2mE = 39pm q V[kV] (2.3)
Cela permet d’atteindre en th´eorie des r´esolutions de l’ordre de la fraction d’angstr¨om `a l’aide d’un faisceau d’´electrons de quelques kilovolts, ce qui est obtenu dans certains ´equipements de pointe [96]. En pratique et dans une utilisation courante, un MEB permet d’aller jusqu’`a des r´esolutions de quelques nanom`etres, et donc d’observer des couches minces dont l’´epaisseur est de l’ordre de la centaine de nanom`etres. Le principe de fonc-tionnement d’un tel microscope est pr´esent´e dans l’annexe C
Si l’on veut obtenir des donn´ees cristallographiques plus compl`etes que celles fournies par l’observation d’une image MEB, la m´ethode `a privil´egier et la diffraction des rayons X.
2.2.3.3 Identification des phases : diffraction des rayons X
L’interaction d’un faisceau de rayons X avec la mati`ere donne naissance `a une ´emis-sion dans toutes les directions d’un rayonnement de mˆeme longueur d’onde et de phase coh´erente. Mˆeme si l’amplitude de l’onde diffus´ee par chaque atome est tr`es faible, les diff´erentes contributions s’ajoutent en phase dans un mat´eriau et interf`erent pour don-ner naissance `a l’onde dite diffract´ee. Cette onde d´epend de la structure atomique de la mati`ere analys´ee ; en particulier, si la mati`ere est ordonn´ee (partiellement ou totalement cristalline), on peut observer l’apparition de pics de diffraction `a certains angles au moyen d’un montage associant une source de rayons X et un d´etecteur mont´e sur un goniom`etre (voir d´etails en annexe D).