Le travail présenté dans cette thèse a porté sur l’élaboration et l’étude des dofférents propriétés physiques de couches minces d’oxyde de zinc, L’influence de la nature des substrats, et le taux de dopage en Aluminium a été étudiée en détail dans l’objectif d’améliorer la qualité des couches minces déposées.
Nous avons choisi la technique d’Ablation Laser Pulsé (PLD) pour déposer les films sur des substrats de verre et de silicium chauffés à 450°C. La source utilisée est un laser excimer KrF (248 nm, 25 ns, 2 J⁄cm2). Cette intéressante technique permet la croissance des films minces couche par couche, avec un très bon contrôle des éléments déposés.
La première partie de ce travail, est une étude bibliographique sur les propriétés structurales, électroniques et optiques de l'oxyde de zinc, et ses applications potentielles. Ainssi que quelques méthodes de dépôt des couches minces des oxydes. Les procédures expérimentales et les techniques de caractérisation utilisées dans cette étude sont présentés dans la deuxième partie.
La caractérisation par diffraction des rayons X a montré que les couches obtenues sont cristallisées dans une structure hexagonale quelque soit le taux de dopage, et le substrat utilisée, avec une orientation préférentielle suivant l’axe c (002) perpendiculaire au plan du substrat. D'autre part, l'analyse de ce dernier pic a montré une détérioration de la qualité cristalline du réseau par la diminution de son intensité avec l’augmentation de la concentration en Al dans tous les films. Cette détérioration peut être attribuée à la présence d’une certaine quantité d’atomes Al dans ou près des régions des joints de grains. Aussi le décalage de ce pic par rapport à la position du même pic de référence est une conséquence de la présence de contraintes causées principalement par le désaccord de maille entre les films déposés et les substrats utilisés. Une diminution remarquable de la taille des grains est enregistrée avec l’augmentation de la teneur en Aluminium indépendamment du type de substrat. Les films non dopés déposés sur du verre et sur Si(100) semblent présenter des tailles de grains plus grandes et une bonne cristallinité. Les valeurs des contraintes, déduites des analyses DRX, peuvent avoir deux signes différant et elles varient de (-0.6706) à (+0.9392) GPa.
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L’analyse de la surface des couches minces de ZnO dope aluminium par microscopie a force atomique (AFM), a montré que la rugosité de la surface est affectée par le dopage. Les images AFM des couches ont toutes fait apparaitre une morphologie presque similaire, avec une forme pyramidale des grains dans les échantillons dopés, et une structure plus ou moins compacte.
La caractérisation de la composition chimique des films par RBS a montré que la distribution des ions d’aluminium dans la matrice de ZnO est homogène tout au long de l’épaisseur des films, et qu’aucune impureté n’est décelée dans les films déposés.
La caractérisation optique UV-visible par spectrophotométrie a montre que toutes les couches minces ont une transmission optique élevée, environ 75% dans le domaine du visible. Cette valeur diminue de façon brutale a 380 nm, ce qui correspond a un seuil d’absorption autour de 3.23 eV pour le film ZnO et 3.36 eV pour les couches ZnO dopé aluminium. L’augmentation du gap des films avec l’ajout du dopant est supposés attribuer au décalage (ou effet) de Burstein-Moss.
En outre, les résultats de l’optique guidé obtenus par la technique de spectroscopie des lignes noires (M-Lines), nous a donné une idée sur les performances dans le guidage de la lumière de nos films, et de déterminer leurs caractéristique opto-géométriques. Les spectres m-lines enregistrés montre clairement que tous les couches minces ZnO supportent uniquement un seul mode guidé (monomode) dans les deux polarisations (TE0 et TM0), qui peut s’expliquer par le fait que les films ZnO ont formés d’une épaisseur relativement faible, ne permettant la propagation d’un seul mode optique.
Les valeurs de l'indice de réfraction obtenues à l’aide de la technique m-lines sont inférieures à celles déduites des mesures de transmittance UV-Vis, mais elles sont en bon accord avec les données de la littérature (≈2), et pour les épaisseurs, il est très intéressant de noter que les mesures par m-lines sont en très bon accord avec celles obtenues par RBS, plus particulièrement pour le film ZnO non dopé.
Pour étudier les propriétés électriques des couches élaborées, des mesures de par effet Hall en mode Van Der Pauw ont été effectuées. Ces mesures montrent que la conduction électrique est de type n pour toutes les couches d’oxyde de zinc dopé et non dopé indépendamment de la nature du substrat et du taux de dopage en aluminium. Le dopage par aluminium à induit un accroissement dans la concentration
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des porteurs de charge, elle est de l’ordre de 1019-1020 cm-3. Cependant, les faibles valeurs de la résistivité, qui varient en général de 10-2 pour ZnO à 10-4 Ω.cm pour AZO correspondant à un matériau conducteur. L’augmentation de la densité de porteurs dans les films dopés peut être attribuée à la substitution des ions Al3+ dans les sites cationiques Zn2+ ou à l’incorporation des ions Al dans des sites interstitiels. Au-delà de 3% at. du dopage aluminium, on à remarqué qu’il ya une légère augmentation de la résistivité dans les films, Ce fait peut être associé à cause de la limite de solubilité solide des atomes d’aluminium dans ZnO, donc les atomes d’aluminium en excès s’associer avec les atomes d’oxygène,-présents dans l’échantillon-, pour former des clusters d’oxyde d’aluminium Al2O3 non conducteurs, au lieu d’incorporés dans le réseau ZnO. Ces clusters provoquent un désordre le réseau cristallin (observé dans les spectres DRX) et agissent comme des pièges à porteurs au lieu de donneurs d'électrons [31- 34].
D’après les résultats de la même étude, on constate également que la mobilité de Hall des films AZO diminue dans le cas du dopage 5% at. Al. Cette diminution de la mobilité peut être attribuée à la diminution de la taille des grains de ces films, c-d-r, l’augmentation des joints des grains par cet effet.
Finalement, et pour conclure, on peut dire que durant ce travaille de thèse , on a arrivé à synthétiser par la technique d’Ablation Laser Pulsé (PLD) des couches minces d’oxyde de zinc, de bonnes qualités cristallines, homogènes, transparentes et conductrices sur différents substrats, ce qui les rend très adaptées pour des applications pratiques tels les guides d’onde optique et le domaine d’optoélectroniques.