Mesure sous pointes de pastilles de ZnO nues

Dans l’optique d’intégration, la mesure en surface nous a semblé plus représentative des futures structures développées. En effet, les couches que nous avons réalisées sont plutôt assimilables à des couches à deux dimensions. Traditionnellement, pour l’étude des propriétés de varistance de pastilles frittées, le contact est pris de part et d’autre de la pastille ; le courant traverse alors toute l’épaisseur du matériau. Dans notre cas, les pointes sont donc directement posées sur la surface des pastilles frittées. Les résultats des caractérisations électriques et microstructurales de cette première approche sont présentés ci-après.

2.1.1 Caractéristiques électriques mesurées

Les pastilles de la série décrite dans le tableau 2-1 sont seulement constituées d’oxyde de zinc. Cette série de pastille a été initialement mise au point afin de tester l’influence de la température de frittage sur la microstructure et les propriétés électriques des pastilles de ZnO pur. Les mesures qui suivent ont été réalisées en mode statique à l’aide de pointes en tungstène. Dans ce cas, les pastilles ont été clivées ; une partie a servi à réaliser ces mesures avec les pointes posées en surface, l’autre partie a été utilisée pour réaliser des métallisations et sera présentée plus loin. Afin de s’affranchir d’une éventuelle pollution en surface, les pointes ont été positionnées sur la tranche des pastilles.

N°pastille AB299 AB298 AB301 AB302

Tfrittage(°C) 400 600 800 900

Composition ZnO ZnO ZnO ZnO

Tableau 2-1 : Récapitulatif des conditions de frittage flash de pastilles constituées de ZnO

Les caractéristiques I-V mesurées par pose directe des pointes sur le matériau sont présentées en figure 2-1.

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Figure 2-1 : Caractéristiques I-V de : a) AB302 (900°C) ; b)AB301 (800°C) ; c) et d) AB298 (600°C) ; e) AB299 (400°C) Notation : 12000 signifie premier essai avec les pointes écartées de 2000 m

Les pastilles AB302 et AB301, frittées à 900 et 800°C, respectivement, ont un comportement similaire ; la première mesure montre une caractéristique non-linéaire avec une tension de déclenchement à 6 V tandis que, pour les suivantes, la courbe I = f(V) est proche d’une droite. Dans le cas de AB302, nous avons fait varier l’écartement des pointes et observé

a b

c d

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que la tension de déclenchement mesurée lors de la première mesure n’est pas directement proportionnelle à la distance (et par conséquent au nombre de joints de grains) entre les pointes. Ces observations suggèrent que le contact entre les pointes de tungstène et le matériau n’est pas du tout anodin et pourrait même être à l’origine du comportement non- linéaire mis en évidence sur les pastilles de ZnO. La pastille AB298, frittée à 600°C, possède une caractéristique fortement non-linéaire. Ce comportement se confirme pour toutes les mesures réalisées. Cependant, on constate qu’en deux points donnés pour lesquels les mesures sont répétées plusieurs fois, la tension de déclenchement n’est pas constante. Lors du premier essai, une tension de déclenchement plus basse que lors des essais suivants est enregistrée. Les mesures suivantes montrent que la tension de déclenchement varie systématiquement, mais pas de façon monotone. Ce comportement non-linéaire a été observé pour un grand nombre de pastilles frittées. La pastille AB298, quant à elle, possède plutôt des caractéristiques de matériau isolant.

La mesure des propriétés électriques de pastilles contenant uniquement du ZnO a été effectuée avec une prise de contact en surface. Ces mesures mettent en évidence que certaines de ces pastilles semblent avoir une caractéristique électrique non-linéaire. Ces résultats sont en totale contradiction avec ceux généralement décrits dans la littérature. En effet, l’oxyde de zinc est un matériau conducteur. Cependant, l’absence de reproductibilité de la tension de déclenchement incite à la prudence quant à l’interprétation de ces mesures. Les pastilles frittées à plus basse et plus haute température ont une caractéristique électrique d’isolant et de conducteur, respectivement.

2.1.2 Observation des grains après les mesures sous pointes

L’observation de pastilles ayant subi des mesures électriques montre que le passage du courant (et l’échauffement qui en résulte) a un impact considérable sur la microstructure des grains constitutifs de la céramique. En effet, l’observation par MEB au voisinage des

électrodes d’une de ces pastilles montre un grossissement des grains et la croissance de structures en aiguilles et en colonnes (figure 2-2). Le cliché MEB central de cette figure montre

les deux empreintes laissées par les pointes de mesures. Les photos périphériques sont des agrandissements de zones étonnantes par la forme ou/et le taille des grains. Nous constatons ainsi que, par endroits, les grains, qui mesuraient initialement 50 nm, ont grossi pour atteindre

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plusieurs centaines de nanomètres. Par ailleurs, certains grains se sont transformés en structures colonnaires et sous les zones de dépose des pointes, des fissures sont observées.

Figure 2-2: Conséquences d’une série de mesures électriques sur l’aspect des grains

La prise de contact à l’aide de pointes directement sur le matériau provoque la localisation des lignes de courant entre ces deux zones ponctuelles. La densité de courant circulant entre ces deux pointes est donc importante et il est vraisemblable que ceci produise un important échauffement responsable de la croissance des grains. Ces résultats permettent d’entrevoir, a posteriori, une autre voie de densification pour les dépôts. En effet, on pourrait tirer parti de ce phénomène d’échauffement local et de croissance des grains sous champ pour procéder au frittage dirigé de certaines zones choisies du dépôt. Cette approche s’apparenterait ainsi à du frittage flash sur couche.

Pour remédier à ces problèmes de modification de la microstructure et valider ou invalider les caractéristiques électriques mesurées sous pointes, nous sommes revenus à des méthodes plus conventionnelles de mesure en volume des pastilles. La mesure de part et d’autre de pastilles métallisées sur les deux faces présente non seulement l’avantage de

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répartir le courant sur des surfaces plus importantes mais aussi de minimiser l’influence des pollutions superficielles éventuelles. Deux types de métallisations sont présentées dans ce qui suit : une métallisation simultanée au frittage, désignée par in situ, et une autre a posteriori.