'objectif initial de ce travail était, en premier lieu, de comprendre les phénomènes en jeu à une interface métal/isolant avec des mesures expérimentales afin de prévoir l’injection de charges dans l’isolant qui est souvent synonyme de vieillissement du matériau et de rupture de l’isolant.
Pour atteindre cet objectif, nous nous sommes d’abord intéressés aux différents résultats expérimentaux (charges d’espace et courant de conduction) que nous avons obtenus pour les différents métaux d’électrode en contact avec du PE. Les résultats obtenus nous confirment bien que l’injection de charges ne suit pas les valeurs théoriques du travail de sortie et donc les valeurs de courant sont très éloignées par rapport à celles de Schottky. La partie expérimentale dans ce travail est inévitable afin de baser notre étude sur des faits physiques.
Toujours dans le but de traiter les phénomènes aux interfaces métal/isolant, nous avons caractérisé dans un premier temps l’effet de la topographie des interfaces d’un contact métal/isolant/métal (MIM) sur les courants externes. Nous avons alors constaté à l’aide de simulations numériques que la rugosité de surface des électrodes pouvait générer une augmentation importante du champ électrique au niveau de l’interface. Des mesures électriques ont ensuite été réalisées sur des interfaces MIM constituées de rugosités différentes. Nous avons alors observé que les courants sont d’autant plus élevés que la rugosité de surface de l’électrode est importante. Cette expérience a permis de confirmer notre hypothèse sur l’effet d’augmentation du champ électrique et du courant d’injection dans le cas d’électrodes rugueuses.
Les différents résultats théoriques ou issus de la littérature, et la mise en commun du savoir faire développés au sein de l’équipe DSF du laboratoire LAPLACE, nous ont servi de base physique et numérique pour l'élaboration des différentes parties de notre modèle. La plupart des modèles développés traitent du transport de charges dans les polymères et peu d’études sont consacrées aux interfaces dans l’application MIM. Nous nous sommes donc focalisés sur ce dernier point et avons choisi d’étudier les propriétés morphologiques de l’interface métal/isolant.
Le modèle que nous avons développé est un modèle bipolaire simple qui prend en compte les états de surface et adopte une distribution exponentielle et un niveau maximal de profondeur de pièges. Une attention particulière a été prise pour décrire les interfaces entre le métal et le diélectrique. Des états d'énergie localisés sont présents au niveau des interfaces, avec une densité et une profondeur plus élevée que dans le volume. Par souci de simplification, la recombinaison et la génération interne de charges ne sont pas prises en compte. L’injection de Schottky est remplacée par un réservoir infini de charges qui est l’unique source de charges. Cela revient à considérer un contact ohmique entre le métal et le
Conclusion générale
Mandana TALEB, Université Paul Sabatier, 2011
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diélectrique. La mobilité dépend de la distribution des pièges et de leur remplissage. Une fraction variable de charges participe au transport, celui-ci étant décrit par un mécanisme par sauts de type « hopping » dans lequel les porteurs se déplacent d’un site à un autre par activation au dessus d’une barrière de potentiel pour être piégés de nouveau à partir du niveau inoccupé le plus bas. Pour chaque type de porteurs (électrons, trous), la zone d'interface est présente à chaque électrode, elle aura donc un effet à la fois sur l’injection et sur l'extraction de charges du diélectrique. Il n’y a pas de barrière d'extraction au niveau des électrodes, de sorte que le flux d'extraction suit l'équation de transport.
La résolution des équations physiques nous a permis d'avoir une distribution spatio-temporelle de la densité de charges, du champ électrique et de la mobilité de chaque type de porteur ainsi que de l'évolution de la densité de courant au cours du temps. Une interface graphique a été réalisée pour faciliter l'utilisation de ce modèle par tous utilisateurs. L'influence de chaque paramètre sur les allures et les valeurs numériques obtenues est étudiée ce qui nous a permis de connaître leurs rôles dans les calculs. Nous avons ensuite réalisé les simulations unipolaires qui nous ont permis de voir l’influence des états d’interface sur l’injection et l’extraction de charges, nous avons constaté que le champ électrique à l’électrode d’extraction augmente, ce qui favorise l’injection de charges de signe opposé dans le cas d’un modèle bipolaire. Nous avons également réussit à reproduire avec notre modèle d’Interface (MI) des phénomènes originaux comme par exemple, la formation de front de charges rapides dans le cas d’un modèle bipolaire ce qui n’est pas le cas avec le modèle Schottky (MS).
En effet, ce travail n’est qu’une première étape dans le développement d’un modèle capable de prévoir les états de surface dans un diélectrique solide et remplacer l’injection de Schottky, cependant il conduit à des résultats encourageants dans sa globalité. Les perspectives envisagées pour ce travail sont nombreuses :
- La meilleure paramétrisation de la zone d’interface. Actuellement, les données sur les propriétés physiques des pièges à l’interface sont très limitées. Donc nous avons fait des hypothèses simplificatrices sur les mécanismes en jeu.
- La variation des paramètres de zone d’interface (largeur, profondeur de pièges, nombre de pièges,..) par rapport aux différents contacts.
- La variation du potentiel de contact en fonction de la charge d’espace en phase de polarisation et de dépolarisation.
- Le contrôle de l'interface métal/isolant afin d'améliorer les performances d'isolation. - L’orientation des recherches vers la caractérisation et la description des interfaces
(semi-conducteur/isolant, mais aussi isolant/isolant), puisqu’il semble que celles-ci jouent un rôle clé dans l’injection et le transport de charges, et que ce domaine reste relativement inconnu.