Dispositif exp´ erimental

ELECTRONIQUE

1 Protocole de mesure . . . . 120

1.1 Principe de la mesure . . . 120

1.1.1 R´esistivit´e ´electrique d’un mat´eriau . . . 120

1.1.2 Connectiques . . . 120

1.2 Dispositif exp´erimental . . . 123

1.2.1 Montage d´edi´e aux basses temp´eratures . . . 123

1.2.2 Montage d´edi´e aux hautes temp´eratures . . . 124

2 Propri´et´es de transport de films minces NdNiO

₃

. . . . 126

2.1 Analyse du film NdNiO

₃

(25 nm) d´epos´e sur LaAlO

₃

. . . 126

2.1.1 Comportement g´en´eral . . . 126

2.1.2 Comportement `a haute temp´erature . . . 127

2.1.3 Comportement `a basse temp´erature . . . 128

2.1.4 D´etermination de la transition m´etal-isolant . . . 130

2.1.5 Comparaison avec la litt´erature . . . 130

2.2 Influence des contraintes `a l’interface sur les propri´et´es de transport

des films NdNiO

3

. . . 133

2.2.1 Effet de l’´epaisseur . . . 133

2.2.2 Etudes des films NdNiO^´

3

d´epos´es sur SrTiO

3

. . . 135

2.2.3 Analyse du rˆole du substrat . . . 137

3 Propri´et´es de transport de films minces SmNiO

₃

et Sm

₀,6

Nd

₀,4

NiO

₃

. . . . 140

3.1 Influence du substrat et de l’´epaisseur sur les films SmNiO

₃

. . . 140

3.2 Effet de l’´epaisseur sur les films Sm

_0,6

Nd

₀,4

NiO

₃

d´epos´es sur LaAlO

₃

142

3.3 Influence de la teneur en n´eodyme . . . 144

4 Effet de l’oxyg`ene sur les propri´et´es de transport ´electronique . . . . 148

4.1 R´esultats exp´erimentaux . . . 148

4.1.1 Etude du film SmNiO^´

3

de 17 nm d’´epaisseur d´epos´e sur

SrTiO

₃

. . . 148

4.1.2 Etude du film SmNiO^´

₃

de 17 nm d’´epaisseur d´epos´e sur

LaAlO

₃

. . . 149

4.1.3 Etude du film Sm^´

_0,6

Nd

_0,4

NiO

₃

de 40 nm d’´epaisseur d´epos´e

sur LaAlO

₃

. . . 150

119

Nous nous int´eressons dans ce chapitre aux propri´et´es de conduction ´electronique des films

´

elabor´es au LMGP. La principale propri´et´e caract´erisant ces compos´es est une transition m´

etal-isolant, nous allons voir comment celle-ci ´evolue en fonction de la pr´esence de d´efauts

struc-turaux, notamment au niveau de sa raideur mais ´egalement de la valeur de la r´esistivit´e `a

haute temp´erature. Notre ´etude s’est concentr´ee sur des mesures de r´esistivit´e en fonction de

la temp´erature.

La description de la m´ethode de mesure employ´ee et des techniques exp´erimentales mises en

œuvre constitue la premi`ere partie de ce chapitre.

Nous d´etaillons ensuite le comportement g´en´eral des propri´et´es de transport ´electronique des

´

echantillons de NdNiO₃ en fonction de la temp´erature. L’influence de l’´epaisseur et du substrat

est ´etudi´ee et nous comparons nos r´esultats avec ceux de la litt´erature.

L’influence de ces param`etres sur les propri´et´es ´electroniques des films compos´es

majoritai-rement de samarium fait l’objet d’une troisi`eme partie. Nous les comparons avec le cas des films

compos´es majoritairement de n´eodyme.

Une derni`ere partie concerne l’´etude de l’influence de l’oxyg`ene sur les propri´et´es de

conduc-tion avec des mesures `a 350°C sous atmosph`ere variable.

1 Protocole de mesure

1.1 Principe de la mesure

1.1.1 R´esistivit´e ´electrique d’un mat´eriau

La r´esistivit´e ´electriqueρ est une propri´et´e physique propre `a chaque mat´eriau. Sa valeur est

ind´ependante de la configuration g´eom´etrique de l’´echantillon, elle s’exprime en ohms.m`etres

(Ω.m).

La r´esistivit´e d’un mat´eriau est habituellement connue grˆace `a des mesures de r´esistance

sur un ´echantillon massif homog`ene parall´el´epip`edique de cˆot´e (e, l et L). Elle se d´eduit de la

mesure de la r´esistance ´electrique par (IV - i) :

ρ=R×^S

l (IV - i)

Fig.IV.1 –Configuration des ´electrodes

pour la mesure de r´esistivit´e d’un ´

echan-tillon massif.

Un courant (I) traverse le solide par le biais d’´electrodes

mises en contact sur les deux faces parall`eles de

sec-tion S (= e×L) et localis´ees au centre de ces sections

de mani`ere `a former une ligne de courant parall`ele `a la

longueur (l) du solide homog`ene. La diff´erence de

poten-tiel entre les ´electrodes U est mesur´ee par un voltm`etre

connect´e en parall`ele de l’´echantillon sur les ´electrodes.

La r´esistance est obtenue en appliquant la loi d’Ohm

(U=R×I) `a partir des valeurs obtenues. La

configura-tion des ´electrodes est sch´ematis´ee figure IV.1.

Les variations de la r´esistivit´e en fonction de la

tem-p´erature sont caract´eris´ees par le cœfficient de r´

esisti-vit´e thermique (TCR) qui est sans dimension, d´efini par (IV - ii) :

TCR= ¹

ρ.^{∂ ρ}

∂T (IV - ii)

Le d´eveloppement des semi-conducteurs a favoris´e l’´emergence de techniques sp´ecifiques de

mesures pour r´epondre aux probl´ematiques soulev´ees par la mises en forme en couches minces

de mat´eriaux. L’´epaisseure devient trop petite devant la largeurLdu mat´eriau pour permettre

la connection des ´electrodes sur la sectionS. La mesure est alors r´ealis´ee directement en surface

du film et non dans le volume comme dans le cas des mat´eriaux solides.

1.1.2 Connectiques

Pour les mat´eriaux dont la r´esistance devient tr`es faible (de 10<sup>−13</sup>`a 10⁻³Ω), la r´esistance des

fils et les r´esistances de contacts entre le mat´eriau et les ´electrodes deviennent non-n´egligeables

par rapport aux r´esistances mesur´ees. L’utilisation de 4 ´electrodes connect´ees en surface d’un

film permet de s’affranchir des r´esistances des fils : deux ´electrodes injectent le courant dans

1 Protocole de mesure 121

l’´echantillon et les deux autres mesurent la diff´erence de potentiel g´en´er´ee par ce courant. Un

dispositif de mesure complet est sch´ematis´e figure IV.2(a). Il comporte une cellule munie de 4

´

electrodes, un g´en´erateur tr`es stable, un amp`erem`etre et un voltm`etre. On mesure la diff´erence

de potentiel 4V induite entre deux ´electrodes lors du passage du courant i entre les deux

autres. Un amplificateur peut ˆetre n´ecessaire lorsque les tensions mesur´ees sont tr`es faibles. Le

polariseur en sortie du g´en´erateur permet d’inverser la polarit´e du courant de fa¸con cyclique

avec une fr´equence de l’ordre de ∼1Hz, et d’´eviter ainsi les d´erives du signal dues au pouvoir

thermo´electrique de l’´echantillon.

Dans cette configuration, les lignes de champs ne sont plus strictement parall`eles `a la

lon-gueur du solide et il faut introduire un facteur de forme g´eom´etrique des lignes de courant [103].

Celles-ci forment des lignes d’´equipotentielles circulaires autour de l’´electrode comme le montre

la figure IV.2(b).

Fig. IV.2 – (a) Sch´ema d’un banc de mesure de r´esistivit´e `a quatre ´electrodes ; (b) ligne d’´

equipoten-tielles autour d’une ´electrode.

Quand un substrat est isolant (cas de nos ´echantillons), les lignes de courant restent

confi-n´ees dans le film. Le courant inject´e diffuse radialement dans le mat´eriau, la densit´e de courant

(j) est alors une fonction de la distance r de l’´electrode et de l’´epaisseur e du film. Le rapport

entre le potentiel `a r, le courant et la r´esistivit´e est donn´e dans l’´equation (IV - iii), et est d´eduit

du calcul suivant :







j(r) = _2π·ⁱ_e·¹_r

j(r) = ¹

ρE(r)

dV =−E(r)·dr

⇒dV =−ρ_2π·ⁱ_e·^d(_r^r)

V(r) =−ρ· ⁱ

2π·e·ln(r) +constante (IV - iii)

Dans une mesure, la distribution du potentiel est r´ealis´ee avec deux ´electrodes. le potentiel

`

a un point M est alors :

V(M) =ρ· ⁱ

2π·e^ln(^r2

Deux configurations de mesures sont repr´esent´ees figure IV.3(a) et (b). Les ´electrodes sont

´

equidistantes dans les deux cas.

Dans la figure IV.3(a), les ´electrodes sont align´ees, la valeur du potentiel aux points A et

B, soit au niveau des ´electrodes de mesures, sont alors ´egales `a :







V(A) =ρ·₂ⁱ

π·e·ln(2) +C

V(B) =ρ· i

2π·e·ln(1/2) +C

Nous pouvons donc d´eduire la valeur de la r´esistivit´e (cf. ´equation (IV - v)) par le calcul

suivant :

U =V(A)−V(B) =ρ· ⁱ

π·e·ln(2)

ρ= ^π

ln(2)×e×^U

i = ^π

ln(2)×e×R (IV - v)

Dans la figureIV.3(b), les ´electrodes sont plac´ees en carr´e, la valeur du potentiel aux points

A et B, soit au niveau des ´electrodes de mesures, sont alors ´egales `a :







V(A) =ρ·_2π·ⁱ_e·ln(√

2) +C

V(B) =ρ· i

2π·e·ln(1/^√2) +C

Nous pouvons donc d´eduire la valeur de la r´esistivit´e (cf. ´equation (IV - vi)) par le calcul

suivant :

U=V(A)−V(B) =ρ· ⁱ

2π·e·ln(2)

ρ= ²·π

ln(2)×e×^U

i = ²·π

ln(2)×e×R (IV - vi)

Fig. IV.3 – Configuration des ´electrodes pour une couche mince par la m´ethode des 4 points de

contacts en configuration (a) align´ee et (b) carr´ee.

1 Protocole de mesure 123

Pour assurer une grande pr´ecision des mesures, la qualit´e des contacts entre l’´echantillon et

les ´electrodes est un facteur important. Ils doivent avoir la mˆeme surface (la plus petite possible)

et la mˆeme qualit´e ´electrique. Plusieurs techniques sont possibles pour r´ealiser la connexion des

´

electrodes sur l’´echantillon :

– par contact m´ecanique o`u 4 pointes m´etalliques reli´ees `a un syst`eme de ressort assure une

pression ´equivalente pour chacune des pointes sur la surface de l’´echantillon. Dans le cas

des films minces, il faut cependant s’assurer que les pointes ne traversent pas l’´epaisseur

de la couche d´epos´ee.

– par contact chimique o`u des fils constitu´es d’un mat´eriau bon conducteur tel que du

platine ou de l’aluminium sont coll´es avec un point de colle conductrice. Les points de

colle doivent alors avoir les mˆemes dimensions. L’ensemble {fils + colle} doit ˆetre inerte

chimiquement avec le mat´eriau dans les conditions de mesures, et poss´eder un tr`es faible

cœfficient de r´esistivit´e thermique (si les mesures sont r´ealis´ees `a diff´erentes temp´eratures).

– par microsoudure, o`u les fils sont soud´es par ultra-son `a la surface de l’´echantillon.

1.2 Dispositif exp´erimental

L’´etude du comportement ´electrique des couches minces a ´et´e r´ealis´ee `a l’Institut N´eel de

Grenoble dans le pˆole “caract´erisations”. Les dispositifs exp´erimentaux utilis´es mesurent la

r´esistivit´e des mat´eriaux `a haute (de l’ambiante `a 1000°C) et basse temp´erature (de l’ambiante

`

a 4 K) par la m´ethode des 4 points de contacts align´es en courant continu (DC).

1.2.1 Montage d´edi´e aux basses temp´eratures

La figure IV.4 montre le syst`eme de connections entre les ´electrodes et les ´echantillons.

Les ´electrodes sont des fils de platine et les contacts entre l’´echantillon et les ´electrodes sont

r´ealis´es par le biais d’une goutte de colle conductrice `a base d’argent (fournit par la soci´et´e

DuPont) d´epos´ee en surface de l’´echantillon qui maintient les fils de platine en contacts avec

l’´echantillon. Ceux-ci sont reli´es `a des ´electrodes m´etalliques par une laque d’´epoxy-argent. Le

porte-´echantillon est ensuite connect´e `a une canne de mesure par l’interm´ediaire de connecteurs.

La canne est plac´ee dans un vase d’h´elium liquide de mani`ere `a immerger l’´echantillon dans

les vapeurs d’h´elium au cours de la mesure. Le syst`eme reste immobile durant toute la dur´ee de

la mesure. Le chauffage est assur´e par un enroulement r´esistif chauffant qui entoure le

porte-´

echantillon, la temp´erature est r´egul´ee `a ±0,5 K assist´ee par un capteur de temp´erature situ´e

sous l’´echantillon. Un petit dewar en verre est ajout´e autour de l’ensemble afin d’am´eliorer la

stabilisation thermique `a proximit´e de l’´echantillon.

Les appareils constituant le dispositif de mesure sont :

– une source de courant de type Keitley 6220 qui d´elivre des courants du µA au mA.

– un nanovoltm`etre Keitley 2182A

Plusieurs pr´ecautions sont prises pour am´eliorer la qualit´e des mesures :

– un second voltm`etre est ajout´e au montage pour mesurer la diff´erence de potentiel entre

les ´electrodes situ´ees aux extr´emit´es, nous obtenons ainsi une seconde mesure de r´esistance

(R_cont). Le rapport entre ces deux r´esistances (^R

ech

R

cont

) doit rester constant au cours de la

mesure car une d´erive importante de sa valeur au cours d’une mesure traduit une diff´erence

de qualit´e ´electrique entre les contacts due `a leur d´egradation. La qualit´e des contacts est

ainsi v´erifi´ee ;

– la source de courant est coupl´ee `a un amp`erem`etre qui v´erifie si le courant de consigne

est bien appliqu´e au niveau de l’´echantillon. Lorsque celui-ci devient trop r´esistif, nous

observons une d´erive du courant de consigne par rapport `a la valeur r´eelle. La r´esistance

de l’´echantillon ne rentre alors plus dans la gamme de mesure de l’appareillage, celle-ci

´etant comprise entre 0 et 5.10⁵ Ω;

– deux mesures successives `a des courants inverses (`a +I et -I) `a une fr´equence d’environ

1Hz permet de compenser la d´erive de la mesure caus´ee par le pouvoir thermo´electrique

de l’ensemble du syst`eme {´electrodes-contacts-´echantillon};

– deux mesures suppl´ementaires `a (I+∆I) et `a (-I-∆I) sont r´ealis´ees `a chaque mesure afin de

v´erifier si l’´echantillon poss`ede un comportement ohmique.

Le syst`eme a ´et´e enti`erement informatis´e au moyen d’une carte d’acquisition et du logiciel

labview. Les diff´erents param`etres de mesure sont : le profil de la temp´erature (dur´ee des paliers

de temp´erature, valeur et vitesse des rampes de chauffage et de refroidissement), les courants I

et 4I (en g´en´eral : 4I = ₁₀^I ), et la fr´equence d’enregistrement des mesures.

1.2.2 Montage d´edi´e aux hautes temp´eratures

Le montage d´edi´e aux mesures hautes temp´eratures est repr´esent´e figure IV.5(a). Il est

constitu´e des mˆemes appareillages (g´en´erateur de courant et voltm`etre) que pour le montage

d´edi´e aux basses temp´eratures.

Le porte-´echantillon diff`ere du montage basse-temp´erature car l’epoxy ne supporte pas les

temp´eratures sup´erieures `a 100°C. L’ensemble est repr´esent´e figure IV.5(b). Le support utilis´e

est constitu´e d’un mat´eriau r´efractaire. La mise en contact entre les ´electrodes, les fils de platine

et l’´echantillon restent `a base de colle d’argent comme pour les mesures `a basse temp´erature.

Un thermocouple est reli´e `a un syst`eme de contrˆole de temp´erature (Cerb`ere). Il est de type K

1 Protocole de mesure 125

et sa jonction est plac´ee dans le support, en dessous de l’´echantillon. La canne est plac´ee dans

un tube en quartz, le chauffage est assur´e par une lampe `a incandescence situ´ee sous le tube en

quartz au niveau de l’´echantillon. La pr´ecision des rampes de chauffage et de refroidissement

sont de l’ordre du degr´e Celsius.

L’utilisation d’une enceinte ferm´ee (tube en quartz) dans le dispositif permet de r´ealiser des

mesures de r´esistivit´e sous atmosph`ere contrˆol´ee. Un syst`eme d’injection de gaz est pr´evu ; un

flux continu d’argon ou d’oxyg`ene pur peut ˆetre inject´e au cours des mesures.

Fig. IV.5 – (a) Montage exp´erimental de mesure de r´esistivit´e hautes temp´eratures, (b)sch´ema du

porte ´echantillon.

2 Propri´et´es de transport de films minces NdNiO₃

Parmi les nickelates de terres rares, NdNiO₃ a ´et´e le plus ´etudi´e dans la litt´erature. Nous

nous penchons ici sur les propri´et´es des ´echantillons NdNiO₃ (NNO) que nous avons ´elabor´es

et comparons nos r´esultats avec ceux de la litt´erature.

Dans le document Structure et propriétés physiques de films minces RENiO3 (RE=Sm, Nd) élaborés par MOCVD (Page 118-127)