Etude de la capacité des structures MIM

La figure 4.11 montre l‟évolution de la densité de la capacité par unité de surface en fonction de la fréquence pour les structures MIM en utilisant le titane, l‟aluminium, l‟or ou le platine comme électrode supérieure. Différents comportements sont obtenus selon l‟électrode utilisée. Par exemple, à 103 Hz, quatre valeurs différentes de capacité sont mesurées avec 55 nF/mm2, 52 nF/mm2, 46 nF/mm2 et 29 nF/mm2 pour l‟aluminium, le titane le platine et l‟or, respectivement. Ces résultats mettent en évidence un effet important de l‟électrode supérieure sur la densité de la capacité lié à une constante diélectrique différente des couches de TiO2. D‟autre part, on remarque que la densité de capacité, et

donc la constante diélectrique, reste stable en fonction de la fréquence pour le cas du platine et de l‟or mais pas pour le cas de l‟aluminium et du titane où on remarque une fluctuation de la capacité au-delà de 3 kHz avec des valeurs négatives en dessous de 100 Hz.

Chapitre 4 : Etude de l’influence des électrodes sur les propriétés diélectriques des structures MIM

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Figure 4.11. Evolution de la densité de capacité par unité de surface en fonction de la fréquence des structures MIM à base de TiO2 en utilisant 4 métaux différents comme électrode supérieure

La valeur de la capacité dépend donc de la nature de l‟électrode supérieure, ce qui pourrait être lié à la présence d‟une couche d‟interface entre l‟électrode et l‟oxyde de titane qui possède une constante diélectrique différente comme le suggère certains résultats de la littérature [14-15]. Pour mettre en évidence cette couche d‟interface, ces structures ont été analysées par XPS.

II.1.1. Caractérisations par XPS

Les analyses XPS ont été réalisées sur quatre échantillons de Ru/RuO2/TiO2/X, avec X= Ti, Al, Au, Pt.

Pour cette étude, une couche de métal de seulement 4 nm d‟épaisseur a été déposée par évaporation afin de pouvoir sonder le TiO2 et le métal en même temps.

II.1.1.1. Le cas de l’aluminium

La figure 4.12 montre les spectres XPS dans l‟intervalle d‟énergie autour du pic Al2p pour une couche d‟aluminium sur TiO2. Ce spectre est composé de trois pics à 72 eV, 72,7 eV et 74,9 eV qui

correspondent aux liaisons Al-Ti, Al-Al et Al2O3, respectivement [16]. Les liaisons Al-Al et Al-Ti

mettent en évidence la présence d‟une couche d‟interface entre le Al et le TiO2. Des mesures XPS à

angle variable non présentées ici confirment la présence de ces liaisons à l‟interface Al/TiO2 et pas

seulement à la surface extérieure de la couche d‟aluminium qui s‟oxyde naturellement au contact de l‟air. Ainsi, on peut supposer l‟existence d‟une réaction d‟interface entre Al et TiO2 qui entraine

l‟oxydation de l‟aluminium en Al2O3 par extraction des anions O 2-

Chapitre 4 : Etude de l’influence des électrodes sur les propriétés diélectriques des structures MIM

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qui induit une réduction de la couche de TiO2 .Une telle observation a été soulignée par d‟autres

travaux [17].

Figure 4.12. Spectre XPS dans la région du pic Al2p pour une couche d’aluminium (4 nm) déposée sur une couche de TiO2

II.1.1.2. Le cas du titane

La figure 4.13 montre le spectre XPS de Ti2p3/2 et Ti2p1/2 pour une couche de titane déposée sur TiO2.

En utilisant les mêmes règles de déconvolution du pic Ti2p que celles employées dans le chapitre 3, les pics obtenus par déconvolution de Ti2p3/2 sont observés à 454 eV, 455 eV, 456,8 eV, et 458,7 eV et

sont attribués respectivement à Ti-Ti, TiO, Ti2O3 et TiO2 [18]. L‟existence des liaisons TiO et Ti2O3

met en évidence la présence d‟une couche d‟interface entre le titane et TiO2.

Des résultats similaires sont rapportés dans la littérature. Par exemple, Rocker et Gopel montrent la présence d‟une couche d‟oxyde de titane non-stœchiométrique à l‟interface Ti/TiO2 [19]. D‟autres

études similaires mettent en évidence la création d‟une couche d‟interface s‟accompagnant d‟une réduction de la couche d‟oxyde de titane sur une profondeur de quelques nanomètres [20].

Chapitre 4 : Etude de l’influence des électrodes sur les propriétés diélectriques des structures MIM

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Figure 4.13. Spectre XPS autour du pic Ti2p pour une couche de titane déposée sur une couche de TiO2

II.1.1.3. Le cas de l’or

La figure 4.14 montre le spectre XPS autour du pic Au4f pour une couche d‟or déposée sur TiO2. Ce

pic possède un doublet dû au couplage spin-orbite, les pics Au4f7/2 et Au4f5/2 montrent un écart

d‟énergie ΔE égal à 3,6 eV [21]. Une seule contribution est détectée à 84,38 eV qui correspond aux liaisons Au-Au [22]. On peut donc supposer l‟absence d‟une couche d‟interface entre l‟or et TiO2 ce

qui est en accord avec la littérature.

Chapitre 4 : Etude de l’influence des électrodes sur les propriétés diélectriques des structures MIM

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II.1.1.4. Le cas du platine

La figure 4.15 montre le spectre XPS pour la région Pt4f pour une couche de platine déposée sur TiO2.

Ce pic possède un doublet 7/2 et 5/2 avec un écart d‟énergie ΔE de 3,3 eV. On peut constater sur cette figure la présence de deux composantes Pt-Pt (71,6 eV), et Pt-OH (72,1) [23, 24].

Afin de comprendre l‟origine des liaisons Pt-OH, des mesures XPS ont été réalisées sur une couche épaisse de platine (40 nm) déposée sur TiO2. Ces résultats montrent la présence de la liaison Pt-O, ce

qui signifie que l‟oxyde de platine est attribué à l‟oxygène adsorbé à la surface libre du platine et non- pas l‟interface Pt/TiO2. Des résultats similaires ont été observés dans un autre travail de recherche

dans lequel une légère oxydation de la surface du platine a été constatée [25]. En même temps, il n‟existe aucun rapport dans la littérature montrant l‟oxydation ou la réduction de l‟interface Pt-TiO2

[26].

Figure 4.15. Spectre XPS du pic Pt4f pour une couche de platine déposée sur une couche de TiO2