Chapitre V. Comportement électrique et transport électronique des films périodiques
I.3. Evolution de la résistivité en température
La figure V.1 présente les comportements électriques en température qu’il a été possible d’observer sur les échantillons à base de titane et de tungstène.
Figure V.1. Comparaison de l’évolution de la résistivité en fonction de la température des systèmes à base de a) titane et b) tungstène.
Il apparaît qu'aucune multicouche W/WO3 ne révèle de comportement semi-conducteur.
En revanche, certains échantillons élaborés à base de titane ayant théoriquement des
épaisseurs met = ox inférieures à 4 nm, présentent une décroissance exponentielle de la
résistivité en température selon une loi d’Arrhénius. Ces échantillons particuliers ne présentent pas de structure multicouche car celle-ci est perdue lorsque l’on souhaite élaborer un échantillon avec une épaisseur de couche métallique inférieure à 6 nm. La différence de comportement observée entre les deux systèmes pourrait donc s’expliquer en premier lieu par le fait que des monocouches ont été produites par RGPP uniquement dans le cas du titane.
D’autre part, l’oxyde de titane (TiO2) étant plus isolant que l’oxyde tungstène (WO3) à
température ambiante [5, 6] et le titane métallique moins conducteur que le tungstène pur, ces couches homogènes d’oxydes de titane déposées vont alors tendre plus facilement vers un
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comportement semi-conducteur que les systèmes multicouches à base de tungstène. Puisque ces dernières couches à base d’oxyde de titane sont des structures à caractère plus homogène et sans structure multicouche, elles ne seront pas davantage décrites et ne seront pas prises en compte dans l’établissement d’une relation entre les propriétés électriques des films élaborés par RGPP et leur structure multicouche.
Au regard des mesures de résistivité en température, tous les systèmes multicouches produits par RGPP possèdent un comportement électrique linéaire en température. La variation de résistivité des métaux en fonction de la température est linéaire et spécifique à chaque métal. Ce comportement dépend entre autres des vibrations des atomes du réseau pour un métal massif. Un coefficient appelé TCR (« Coefficient Thermique de Résistance ») est utilisé pour caractériser la résistivité des métaux à une température donnée (Chap. II. §. II). Il est défini par l’équation (V.01) :
(V.01)
Pour les métaux massifs, ce coefficient à 293 K est de l’ordre de quelques 10-3 K-1,
alors que pour les couches minces, les différentes perturbations du transport des électrons
réduisent le TCR à des valeurs proches de 10-3 K-1, voire inférieures [7-11] ou encore
négatives [1, 12]. Ainsi, on peut qualifier de comportement métallique, pour la zone de température étudiée, toute variation linéaire de la résistivité en fonction de la température. Comme le révèle la figure V.1, les multicouches produites par RGPP ont donc bien une conduction à caractère métallique.
Avant d’entamer l’étude détaillée de chaque matériau, il faut noter que les multicouches
périodiques TiO/Ti/TiO/TiO2 possèdent des valeurs de TCR qui atteignent 10-4 K-1 alors
qu’ils peuvent descendre jusqu’à 10-5
K-1 pour les systèmes tungstène. Les multicouches de
WO/W/WO/WO3 possèdent donc les comportements de conduction les moins fluctuants en
fonction de la température. Les causes potentielles de cette quasi-invariance avec la température seront discutées par la suite.
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I.3.1. Les systèmes à base de titane
Tous les échantillons ont été nommés avec la première lettre du matériau de base (T pour Ti) et le nombre entier n en indice, incrémenté en fonction de la résistivité à température ambiante, partant du plus résistif pour finir avec l’échantillon le plus conducteur. La figure V.2 montre plus en détails l’évolution de la résistivité en température de toutes les
multicouches TiO/Ti/TiO/TiO2 produites.
Figure V.2. Evolution de la résistivité en fonction de la température des multicouches périodiques TiO/Ti/TiO/TiO2 et leurs valeurs de TCR établies pour ρ0 à 298 K.
Tout d’abord, il faut noter qu’il n’y a pas de relation directe entre le TCR et les différentes résistivités à température ambiante. Toutefois, une tendance se dégage avec des
TCR négatifs de T1 à T5 puis positifs de T6 à T16 jusqu’à tendre vers la valeur de l’échantillon
de métal pur de référence calculée à 2,17 × 10-3 K-1. Ces résultats laissent donc apparaître une
relation possible entre la conduction du métal pur et celle des multicouches correspondantes. Ceci peut s’expliquer par le fait que la conduction est principalement due aux couches métalliques puisque les mesures d’effet Hall effectuées révèlent une concentration en porteurs de charge typiquement métallique (§. I.2).
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I.3.2. Les systèmes à base de tungstène
La figure V.3 représente la résistivité en fonction de la température des échantillons W2
à W14. Pour des raisons de clarté, les TCR des échantillons W1 et Wpur ne sont pas représentés
sur la figure, mais leurs valeurs respectives sont de -81,6 et 260 × 10-5 K-1. Cependant, les
échantillons WO/W/WO/WO3 possèdent quasiment tous un TCR négatif. L’échantillon
faisant exception est le W13 qui possède en valeur absolue une des plus petites valeurs de
TCR. En outre, l’échantillon W8, difficilement dissociable graphiquement du W7 (Fig. V.3),
est l’échantillon dont la résistivité en fonction de la température varie le moins parmi tous les systèmes confondus. Pour de telles valeurs de TCR, la variation est négligeable sur un intervalle de 200 K (valeur modifiée de 1 %).
Figure V.3. Evolution de la résistivité en fonction de la température des multicouches périodiques WO/W/WO/WO3 et leurs valeurs de TCR établie pour ρ0 à 298 K.
Toutefois, la figure V.3 ne révèle pas de tendance des TCR pour ces systèmes en fonction de la résistivité à température ambiante. En effet, pour la même valeur de résistivité, il existe plusieurs comportements différents en température qui peuvent être dus à la présence
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de grains dans les couches métalliques [13-18]. Ce point sera développé par la suite. De plus, au regard de la grande différence de TCR entre l’échantillon de métal pur et les systèmes
multicouches WO/W/WO/WO3, il ne semble pas qu’il puisse y avoir une relation entre ces
échantillons et la résistivité du tungstène à l’état pur.
Il ressort de ces études en température, une similitude de conduction métallique entre les deux systèmes avec quelques différences. Les systèmes à base de tungstène possèdent les comportements les plus stables en température, ainsi que la gamme de résistivités la moins
étendue. En effet, si on néglige l’échantillon W1 de la série (cet échantillon mesure 720 nm
d’épaisseur et son TCR est très élevé et négatif d’une valeur de -8,17 × 10-4
K), alors la
résistivité de ces systèmes varie de seulement 2,5 × 10-6 Ω.m pour une variation d’épaisseur
de couche métallique λmet comprise entre 2,2 et 41 nm. La résistivité du titane quant à elle est
proche de 1,05 × 10-5 Ω.m pour 6 < λmet < 35 nm. Si le comportement souhaité, dans le but
d’une application capteur de gaz [19, 20], est celui de posséder une invariance de la résistivité en température (Chap. II. §. II.), alors tous les systèmes (tantale compris) peuvent le satisfaire
mais les multicouches WO/W/WO/WO3 semblent être alors les plus appropriées.
II. Influence des paramètres structuraux sur la résistivité des