Afin de comparer les propriétés des nanotubes de carbone à celles des matériaux utilisés actuellement à savoir le silicium amorphe (a−Si) et les oxydes de vanadium (V Ox), il convient de définir des figures de mérite, et d’identifier les propriétés qui sont pertinentes.
Nous présenterons ensuite brièvement celles duV Ox et dua−Si.
3.3.1 Choix du matériau : Expression des figures de mérite
Nous avons exprimé au paragraphe 2.2.4 la réponse d’un détecteur, et en 2.4.2 sa sensibilité (NETD). Cependant ces formules dépendent de la géométrie choisie pour le détecteur et de paramètres extérieurs (tension appliquée, fréquence de lecture etc...) Nous allons ré-exprimer ici ces formules en ne gardant que les grandeurs propres aux matériaux pour avoir des figures de mérite permettant de les comparer.
- La réponse peut s’écrire :
< ∝ T CR ρ λth
(3.1)
- Les rapports signal à bruit (SNR) dans les cas des bruits de Johnson et 1/f : SN RJ ∝ T CR
√ρ λth
SN R1/f ∝ T CR pKf λth
(3.2)
Dans ces formules Kf et ρ désignent la T CR, la constante de Hooge et la résistivité du thermistor, et λth la conductivité thermique du/des matériau(x) constituant les bras d’isolation thermique. Nous n’avons pas pris en compte l’absorption car elle dépend beaucoup de l’environnement extérieur (cavité quart d’onde) et sa valeur est déjà proche de 100%. La comparaison du potentiel de matériaux pour servir de thermistor dans des micro-bolomètres passe donc par l’analyse deρ,T CR,Kf etλth.
3.3.2 Matériaux utilisés actuellement dans les bolomètres
Les matériaux utilisés actuellement en bolométrie comme thermistor sont le silicium amorphe et les oxydes de vanadium.
- Dans le premier cas, la membrane est formée d’une centaine de nanomètres de silicium amorphe recouverts d’une fine couche de métal (qui permet une absorption quasi-totale grâce à la cavité quart d’onde). Le a-Si joue donc le rôle d’isolateur thermique grâce à sa faible conductivité thermique, et de thermistor grâce à sa forte TCR (≈ −2%K−1) et son faible
3.3 Problématique & Approche matériau 47
niveau de bruit 1/f.
- Dans le cas duV Ox, la membrane est formée d’un empilementSiN/V Ox/SiNrecouvert du même type d’absorbeur que pour le a-Si. Le SiN assure la rigidité mécanique et l’isolation thermique (grâce à sa faible conductivité thermique). La forte TCR (aussi de l’ordre de
≈2%K−1) et le très faible niveau de bruit 1/f duV Ox(déposé en couche bien plus mince que le SiN) lui permettent d’assurer le rôle de thermistor.
Un matériau ayant une plus forte TCR, ou des niveaux de bruit 1/f plus faibles (i.eKf
petit) que lea−Siet leV Oxserait donc un bon candidat pour réaliser des bolomètres. Si il est également un absorbant dans l’IR et/ou un bon (voire meilleur) isolateur thermique (i.e λthpetit), le dispositif pourrait être fait en une seule couche, ce qui serait un véritable atout technologique. Il doit dans ce cas avoir une rigidité suffisante pour former une membrane, et une forte maturité technologique pour permettre la réalisation de plans focaux homogènes.
3.3.3 Approche de cette étude sur le potentiel des films de CNTs
Une étude des propriétés optiques des films de CNTs dans l’IR et le THz est indispensable pour en faire des absorbants dans les bolomètres éventuellement insérés au sein d’une cavité quart d’onde. Ce sera l’objet de mon chapitre 4.
Afin de mesurer les propriétés de transport et de bruit électroniques des films de CNTs, il est important de se doter en salle blanche d’un technologie capable de fabriquer des dispositifs de bonne qualité. Ce sera le sujet de mon chapitre 5.
La mesure et la modélisation du transport électronique dans les films de CNT seront l’objet de mon chapitre 6 et permettront notamment de déterminer leurT CR.
Mon chapitre 7 sera quant à lui consacré à la mesure du niveau de bruit dans les films de CNT qui sera alors décrit viaKf.
Enfin le chapitre 8 résumera en terme de figure de mérite le potentiel des nanotubes de carbone pour la détection IR.
Chapitre
4 Propriétés Optiques des Films de nanotubes de Carbone
Sommaire
4.1 Introduction et état de l’art . . . . 49 4.1.1 Motivation . . . 49 4.1.2 Etat de l’art . . . 50 4.2 Mesure de la réflexion et de la transmission IR et THz . . . . . 51 4.2.1 Echantillons suspendus . . . 51 4.2.2 Mesure FTIR de la réflexion et de la transmission IR . . . 52 4.2.3 Mesure TDS de la transmission THz . . . 52 4.2.4 Résultats et Discussion . . . 53 4.3 Obtention de l’indice optique complexe . . . . 54 4.3.1 Méthode . . . 54 4.3.2 Résultats et Discussion . . . 55 4.4 Dimensionnement d’un absorbant total en bande 3 à base de
film de CNT . . . . 57 4.5 Conclusion . . . . 58
D
ans ce chapitre, nous allons nous intéresser aux propriétés optiques des films de nano-tubes de carbone, dans l’infrarouge et le THz, non pas d’un point de vue fondamental (la littérature est déjà très riche sur ce sujet) mais d’un point de vue appliqué. Notre ob-jectif est la détermination de l’indice optique complexe des films de CNT, qui est nécessaire à la conception de dispositifs optoélectroniques. Ces résultats ont été obtenus en collabora-tion avec Sylvain Maine (post doctorant) et Stéphanie Rennesson (stagiaire de M2 dont j’ai encadré le travail) et ont été publiés dans Applied Optics1.4.1 Introduction et état de l’art
4.1.1 Motivation
Les propriétés électro-optiques uniques des films de SWCNT rendent ce matériau particuliè-rement intéressant pour la conception de dispositifs optoélectroniques : électrodes
transpa-1Maineet al., « Complex optical index of single wall carbon nanotube films from the near-IR to THz spectral range ».
49
50 Propriétés Optiques des Films de nanotubes de Carbone
rentes23, absorbants saturables4, milieu à gain optique5, couche anti-reflet678, et évidemment bolomètres.
Afin de concevoir et d’optimiser de tels dispositifs à base de film de SWCNT, il est nécessaire de connaître leurs propriétés optiques, et plus précisément leur indice de réfraction complexe ˜n =n+i.κ, notamment dans l’infrarouge et dans le THz pour l’application qui nous intéresse : les bolomètres. Ce paramètre ne peut s’obtenir que de façon expérimentale, et n’a jamais fait l’objet d’étude reportée dans la littérature. Nous nous sommes donc proposés de le déterminer.
La méthode la plus classique pour obtenir l’indice complexe est l’ellipsométrie, mais celle-ci ne permet pas d’atteindre des longueurs d’onde au-delà de 20µm et est difficile à mettre en œuvre dans l’infrarouge. Une autre méthode consiste à mesurer des couples de paramètres : spectres de transmission et de réflexion grâce à un spectromètre FTIR (Fourier Transform InfraRed spectrometer) pour le visible et l’IR (600nm, 100µm), et amplitude et phase de transmission grâce à la TDS (Time Domain Spectroscopy) pour le THz. L’indice complexe ˜n est ensuite extrait de ces mesures via un fit. C’est cette dernière méthode que nous avons choisie, et que nous décrirons plus loin.
4.1.2 Etat de l’art
Des mesures FTIR de films de nanotubes de carbone ont déjà été publiées. Néanmoins il s’agissait d’études fondamentales des propriétés des SWCNTs, et ces publications compor-taient soit uniquement des spectres de l’intensité réfléchie R9,10, soit de l’intensité transmise T11,12. Or cette information seule n’est pas suffisante pour remonter à l’indice complexe ˜n.
Nous avons donc choisi d’effectuer des mesures couplées de transmission et de réflexion au FTIR, ce qui nous permet à priori de résoudre le problème dans la gamme 600nm-100µm.
La TDS nous permet d’obtenir l’amplitude t et la phase ϕde la transmission à partir desquelles ˜n peut être calculé. Grâce à cette technique, le domaine des grandes longueurs peut être étudié, jusqu’à plusieurs millimètres. La limite basse est généralement de l’ordre de 100µm.
2Jacksonet al., « Specific contact resistance at metal/carbon nanotube interfaces ».
3Huet al., « Infrared transparent carbon nanotube thin films ».
4Wanget al., « Wideband-tuneable, nanotube mode-locked, fibre laser ».
5Gaufreset al., « Optical gain in carbon nanotubes ».
6Yanget al., « Experimental observation of an extremely dark material made by a low-density nanotube array ».
7Wanget al., « Highly specular carbon nanotube absorbers ».
8Shi et al., « Low density carbon nanotube forest as an index-matched and near perfect absorption coating ».
9Ruzickaet al., « Optical and dc conductivity study of potassium-doped single-walled carbon nanotube films ».
10Ugawaet al., « Far-infrared to visible optical conductivity of single-wall carbon nanotubes ».
11Pekkeret al., « Wide-range optical studies on various single-walled carbon nanotubes: Origin of the low-energy gap ».
12Borondicset al., « Charge dynamics in transparent single-walled carbon nanotube films from optical transmission measurements ».