Morphologie de la surface

Le changement de la croissance préférentielle dans les films est un changement de texturation, ceci influe directement sur la géométrie des grains de ces films. Pour cela, il est nécessaire d'étudier la morphologie de la surface de ces films. L’analyse par microscopie à force atomique (AFM), microscopie électronique à balayage (MEB) et spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) permettent à la fois de vérifier la rugosité de la surface, l’homogénéité des films, la forme des grains ainsi que l’analyse qualitative de ces films.

La fig.IV.3 présente les images AFM des films de ZnO:In déposés avec un taux de dopage allant de 0 à 4% In. Ils sont tous composés de structure poreuse granulaire ayant une forme pyramidale (colonnaire) typique. Ceci les rend très efficace pour le piégeage de la lumière dans les cellules solaires à base de silicium [6] ainsi que pour le piégeage des molécules du gaz dans le cas où le matériau est destiné pour les capteurs à gaz [7].

Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO

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Fig.IV.3 Images AFM 2D et 3D des films ZnO:In déposés avec différents taux de dopage par

indium : (a) et (b) 0 % In, (c) et (d) 1 % In, (e) et (f) 2 % In, (g) et (h) 4 % In.

La rugosité de la surface de ces échantillons a aussi été déduite à partir de ces images AFM en utilisant le logiciel "Scanning Probe Image Processor". Les valeurs obtenues sont présentées sur le tableau IV.1.

a b

d c

e f

Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO 108 Taux de dopage (%) Vitesse de croissance (Å/s) Rugosité de surface RMS (nm) 0 7.8 18.5 1 10.2 34.6 2 9.4 9.9 4 4.2 3.0

Tableau IV.1 Vitesse de croissance et rugosité de la surface des films ZnO:In déposés

avec différents taux de dopage par indium.

Il est clair que la rugosité de surface des films obtenus dépend de la concentration du dopage ainsi que de la vitesse de croissance. Elle passe de 18.5 nm pour un film de ZnO pur à 34.6 nm pour un taux de dopage de 1% In, puis diminue considérablement à 9.9 et 3 nm pour les dopages de 2 et 4% In respectivement. Cette évolution avec le taux de dopage par indium a la même tendance que celle de la vitesse de croissance. Ceci suggère que l’état de surface de ces films est directement liée aux réactions pyrolytiques mises en jeu lors de la formation des films [8]. Il faut noter que la méthode spray ultrasonique est considérée parmi les meilleurs techniques qui produisent les films minces rugueux.

Les images MEB des films ZnO:In déposés à différents taux de dopage par indium sont rapportées sur la fig.IV.4. D’après cette figure, on constate que tous les films présentent une surface homogène avec une morphologie nanostructurée.

La morphologie du film de ZnO pur est composée de formes coniques empilées et désorientés d’une longueur moyenne de 70 nm. Cependant, avec l’augmentation du taux du dopage, la morphologie des films change en grains irréguliers. Pour un dopage de 1% In, la surface devienne compacte et dense avec une structure nanométrique granulaire. Une augmentation de dopage à 4% In a également modifié la morphologie des films en une structure lamellaire de l’ordre de 100 nm. Ce résultat confirme la transition de la croissance préférentielle de (002) vers (101) mentionné dans la partie structurelle. Il a été noté que la morphologie lamellaire en surface est une structure efficace pour le piégeage de la lumière efficace qui est utile pour les cellules solaires [9].

Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO

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Fig.IV.4 Images MEB des films de ZnO:In déposés avec différents taux de dopage par

indium : (a) 0 % In, (b) 1 % In, (c) 2 % In, (d) 4 % In, (e) Spectres EDX du film ZnO et (f) Spectres EDX du film ZnO dopé 4 % In.

La composition chimique des films ZnO et ZnO:In déposés sur des substrats de silicium a été étudiée en utilisant EDX. Sur la fig.IV.4 (e), nous avons rapporté le spectre du film de ZnO non dopé, où on observe les pics relatifs aux éléments du zinc et de l’oxygène. Les pics similaires du zinc et d'oxygène sont également observés dans le spectre de la fig.IV.4(f) relatif au film ZnO dopé 4% In, nous y notons l’émergence de deux petits pics correspondant à l’indium. Les pics relatifs au silicium présent dans les deux spectres de la fig.IV.4, est issu du substrat en silicium utilisé. La

a b

c d

Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO

110 concentration élevée de Zn dans les deux films suggère la présence d’une forte densité des défauts de lacunes d’oxygène (VO) dans les films comme il sera montré dans la partie de la photoluminescence. Ces résultats sont en bon accord avec d'autres résultats rapportés dans la littérature [10, 11].

IV.1.3 Propriétés optiques

Les spectres de transmittance des films de ZnO:In sont rapportés dans la fig.IV.5. Tous les films présentent une bonne transmission (entre 80 et 90 %) dans le domaine visible. La chute abrupte à 380 nm, avec un décalage vers les longueurs d’ondes inférieures correspond à l’absorption fondamentale du ZnO due à la transition entre la bande de valence et la bande de conduction. On constate une légère diminution de la transmission avec le dopage par indium. L’absence des franges d'interférence dans ces spectres, indique que les films obtenus sont rugueux. Ceci est confirmé dans l’analyse de la morphologie de surface par l’AFM.

Fig.IV.5 Spectres de transmittance des films de ZnO:In déposés avec différents taux de

dopage par indium.

Figure en insertion : Variation du gap optique des films de ZnO:In avec le taux de dopage par indium.

Dans l’insert de la fig.IV.5, nous avons présenté la variation du gap optique Eg

des films de ZnO:In en fonction du taux de dopage. D’après cette figure, nous constatons une faible augmentation du gap optique de 3,28 à 3,31 eV quand le taux de dopage par indium augmente de 0 à 4%. Une évolution similaire a été observée par

0 1 2 3 4

3,28 3,29 3,30 3,31

Taux de dopage par indium (% at.)

Gap

op

tiqu

e (

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111 Machado et al. [12] dans des films de ZnO dopé par indium entre 0 et 3% déposés par la méthode électrodéposition. La variation du gap optique avec le dopage par indium peut être expliquée par l’effet de Burstein-Moss [13, 14]. Selon cet effet, l'augmentation du niveau de Fermi dans la bande de conduction conduit à l'élargissement du gap optique avec l'augmentation de la concentration des porteurs de charges (électrons). Donc, le décalage du début d’absorption des films de ZnO:In vers les faibles longueurs d’ondes est lié à l’augmentation de la concentration des électrons bloquant les états les plus bas de la bande de conduction.

La photoluminescence (PL) est une méthode optique non destructive qui permet d’identifier les niveaux d’énergie des défauts intrinsèques et extrinsèques dans les films minces. Un spectre de PL se compose de différentes bandes avec des longueurs d’onde qui correspondent aux différentes transitions luminescentes. Cette dernière est due aux différents niveaux d’énergies qui sont associés aux défauts intrinsèques et extrinsèques dans le film mince [15].

Fig.IV.6 Spectres de la photoluminescence à température ambiante des films

de ZnO déposés à différents taux de dopage par indium.

La fig.IV.6 présente les spectres PL des films de ZnO:In dopés avec différents taux d’indium à température ambiante. Tous les films montrent deux pics d'émission centrés auteur de 375 et 515 nm, dans lequel le pic à 375 nm (émission à l’UV) est attribué à la recombinaison des excitons libres [16-18]. Tandis que celui à 515 nm

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112 (émission dans le visible) est relié aux défauts intrinsèques dans les films obtenus tels que les atomes de zinc en interstitiel (Zni) et les lacunes d’oxygène(VO) [19, 20]. Il a été noté un petit décalage de la position du pic à l’UV vers la région des longueurs d'onde inférieures avec la concentration du dopage par indium. Dans les spectres de transmittance optique, Il a été montré aussi l’existence d’un décalage vers les petites longueurs d’ondes avec le dopage par indium. Donc le décalage du pic à l’UV peut être lié à la nature de la variation du gap optique. Les valeurs de l’énergie correspondent à la position du pic dans l’UV coïncident parfaitement avec le seuil d'absorption calculé à partir de la courbe de (αhν)2 en fonction de hν.

Dans le domaine visible, le pic dû aux lacunes d’oxygène (VO) et au zinc interstitiel (Zni) est centré dans les faibles longueurs d'onde (500–520 nm) [21] tandis que celles dues aux atomes d’oxygène en interstitiels (Oi) sont centrées dans les longueurs d'onde les plus élevées (580-625 nm) [22]. Ceci est confirmé dans la partie EDX où on a noté un excès du zinc dans les films. La présence d’indium dans la matrice de ZnO favorise la diffusion du zinc et d’oxygène dans la matrice de ZnO [23] [24] ce qui conduit à la suppression des défauts dû aux lacunes d’oxygène (VO) et au zinc en interstitiel (Zni) et la création d’autres défauts dû à l’oxygène en interstitiels (Oi). Ainsi, la présence d’indium dans la matrice de ZnO diminue la contribution de lacunes d’oxygènes et de zinc en interstitiel et augmente la contribution des atomes d’oxygène en interstitiel et des lacunes du zinc. Par conséquent, ces spectres PL montrent un décalage vers l’infrarouge avec l’augmentation de la concentration du dopant.

À la base des données déduites à partir des spectres PL, on peut schématiser le diagramme de bande d’énergie du film ZnO:1% In (fig.IV.7) montrant les niveaux de tous les défauts intrinsèques présent dans ce film.

Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO

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Fig.IV.7 Diagramme de bande d’énergie du film ZnO:1% In avec les niveaux d’énergie

des défauts intrinsèques présent dans ce film.