Propriétés de l’IMT dans le domaine THz

Les propriétés optiques des couches minces de VO2 déposées à différentes PO2 ont été étudiées dans le domaine de fréquence THz sur une plage de température allant de 30 à 95 °C. Le signal transmis à travers les échantillons de VO2/SiO2 a été normalisé à partir de celui transmis à travers le substrat de SiO2 pour la gamme de fréquence allant de 0.2 à 1.6 THz. La transmission des échantillons de VO2 dans l’état isolant (T = 30 °C)

Figure IV-5 : Transmission des couches minces de VO2 déposées à différentes PO2 à 30 °C (état isolant) et à 95 °C (état métallique) pour la gamme de fréquence 0.2-1.6 THz

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est indépendante de la fréquence et de la pression d’oxygène (Fig. IV-5). À l’opposé, la transmission des échantillons dans l’état métallique (T = 95 °C) est fortement réduite par rapport à celle obtenue dans l’état isolant. De plus, celle-ci décroît non seulement lorsque la fréquence augmente, mais également lorsque la pression d’oxygène dans le réacteur est réduite. Ces tendances sont expliquées en considérant l’effet de l’épaisseur de peau, qui est proportionnelle à la racine carrée de la résistivité du matériau et inversement proportionnelle à la racine carrée de la fréquence (Éq. II-19). En effet, plus la résistivité du matériau est faible et plus la fréquence augmente, plus l’épaisseur de peau sera faible, ce qui cause une réduction de la pénétration du signal THz dans le matériau. Autrement dit, plus la conductivité de la couche de VO2 dans l’état métallique (T > TIMT) est élevée et plus la fréquence THz augmente, plus la longueur de pénétration du rayonnement THz dans le VO2 sera faible et, en conséquence, l’intensité du signal transmis sera réduite.

Figure IV-6 : Cycle d’hystérésis de la transmission normalisée à 0.8 THz en fonction de la température pour les couches minces de VO2 déposées à différentes PO2 : (a) 2 mTorr; (b) 10 mTorr; (c) 20 mTorr; (d) 25 mTorr

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Les propriétés de l’IMT des couches minces de VO2 déposées à PO2 = 2, 10, 20 et 25 mTorr ont été extraites des mesures de transmission normalisée (Tr) en fonction de la température pour les cycles de chauffage et de refroidissement à une fréquence de 0.8 THz (Fig. IV-6). Ici, l’amplitude de modulation de la transmission de part et d’autre de l’IMT (ΔA) est définie comme étant ΔA = (Tr(Iso) - Tr(Met))/Tr(Iso), où Tr(Iso) et Tr(Met) représentent respectivement la transmission THz des couches minces dans les états isolant et métallique. La température de transition (TIMT), la largeur de l’hystérésis (ΔH) et la gamme de température à laquelle la transition se produit (ΔT) ont, quant à elles, été déterminées à partir de la méthodologie précédemment employée (Chap. III.2.1.a).

Figure IV-7 : Modulation (ΔA) à 0.8 THz et largeur de l’hystérésis (ΔH) pour les couches minces de VO2 déposées à différentes PO2

L’augmentation de la pression d’oxygène dans le réacteur de 2 à 25 mTorr amène une réduction de ΔA de 0.59 à 0.30 et une augmentation de ΔH de 4.7 °C à 14.8 °C (Fig. IV-7). De plus, TIMT augmente de façon linéaire de 63.7 °C à 69.1 °C avec PO2 et le cycle d’hystérésis, qui est symétrique à faible PO2 (2-10 mTorr), devient asymétrique lorsque PO2 augmente (20-25 mTorr) (Tableau IV-1). En effet, alors que les valeurs de

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ΔT obtenues pour les cycles de chauffage et de refroidissement sont similaires à faible PO2, ΔT est significativement plus élevée pour le cycle de refroidissement que pour le cycle de chauffage à PO2 élevée.

IV.3 Discussion

Les tendances observées pour les propriétés de la transition de phase déduites des mesures de résistivité (Chap. IV.2.4) sont en accord avec celles déduites des mesures de transmission THz (Tableau IV-1). Les différences observées entre les valeurs de TIMT et ΔT obtenues à partir de ces deux mesures sont attribuées à la nature « percolative » de la transition de phase du VO2. En effet, dès que la couverture de surface des domaines métalliques est de l’ordre de 20 %, des chemins de faible résistance peuvent être présents. Par contre, la réponse optique aux fréquences THz, pour laquelle la longueur d’onde doit être du même ordre de grandeur que les domaines métalliques, nécessite de son côté une plus grande couverture de ces derniers pour être détectée.

PO2 (mTorr) ΔA TC (°C) TR (°C) TIMT (°C) ΔH (°C) ΔTC (°C) ΔTR (°C) 2 0.59 66.0 61.3 63.7 4.7 5.8 5.5 10 0.54 69.2 63.7 66.5 5.5 5.0 5.3 20 0.36 73.7 63.2 68.4 10.5 6.5 3.5 25 0.30 76.5 61.7 69.1 14.8 11.6 5.5

Tableau IV-1 : Propriétés de la transition de phase des échantillons de VO2/SiO2 déposées à différentes PO2 déterminées à partir des mesures de transmission THz Cela se traduit par une température de transition plus élevée, une transition plus abrupte et une largeur d’hystérésis similaire, telles qu’elles ont été obtenues à partir des mesures de transmission THz, par rapport aux mêmes propriétés déterminées à partir des mesures électriques. [241] Cela explique également pourquoi la transmission THz de l’échantillon déposé à 20 mTorr présente un cycle d’hystérésis bien défini

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(Fig. IV-6 (c)) alors que celui obtenu à partir des mesures électriques (Fig. IV-4) est évasé et semble indiquer une disparition partielle de la transition de phase.

L’analyse des cycles d’hystérésis de Tr des échantillons de VO2 déposés à différentes PO2 montre que la variation de transmission la plus élevée est obtenue pour l’échantillon déposé à 2 mTorr (ΔA = 0.59). Ceci suggère que l’obtention d’une variation importante dans la transmission THz nécessite non seulement d’optimiser la qualité cristalline et la stœchiométrie de la couche mince afin de maximiser la proportion de l’état de valence V4+, mais aussi de minimiser sa résistivité dans l’état métallique, réduisant ainsi l’intensité du signal THz transmis à haute température. Cette analyse met également en évidence une hausse de TIMT avec l’augmentation de la pression d’oxygène. Celle-ci est causée par deux phénomènes différents : (i) un accroissement du dopage de type accepteur dans les couches minces de VO2 via l’augmentation du contenu en état de valence V5+ par rapport à celui de l’état de valence V3+ [230] et (ii) une relaxation des contraintes qui est causée par une meilleure dissipation du stress avec l’accroissement de la sélectivité de l’orientation de la croissance cristalline préférentielle selon l’orientation (Fig. IV-1 (b)). [228] [229]

La plage de température à laquelle la transition s’effectue (ΔT) dépend de la quantité totale de défauts par unité de volume dans la couche mince de VO2, du type de défauts de même que des contraintes mécaniques dans les grains de différente taille. [56] [81] [205] [222] [223] [231] [232] Ainsi, l’évolution de ΔT en fonction de PO2 durant la transition de phase de monoclinique à tétragonale peut être divisée en deux régions distinctes (Tableau IV-1). Pour PO2 ≤ 10 mTorr, les grains de VO2 sont de petite taille avec une distribution en taille uniforme. Dans ce cas, la transition de phase s’effectue de façon abrupte (faible ΔT) à cause de la faible densité de défauts de volume [81] [224] et le cycle d’hystérésis est symétrique, tel qu’il est indiqué par les valeurs similaires de ΔT pour les cycles de chauffage (ΔTC) et de refroidissement (ΔTR). Pour PO2 > 10 mTorr, la taille des grains de VO2 est plus grande, la distribution en taille s’élargit et la densité de défauts de volume est plus élevée, ce qui cause un accroissement de ΔTC et une plus grande différence entre les valeurs de ΔTC et de ΔTR.

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Finalement, l’élargissement de l’hystérésis observé lorsque PO2 croît est attribuable à l’augmentation de la taille de grains. Le même phénomène a été observé pour le cycle d’hystérésis de la transmission IR (λ = 980 nm) de couches minces de VO2 déposées sur substrat de silicium et ayant subi un recuit. Dans ce cas, une hausse de la température de recuit causait une augmentation de la taille des grains et de la largeur de l’hystérésis. [205]

En résumé, l’influence de la pression d’oxygène sur la composition, la microstructure et les propriétés électriques et optiques (THz) de couches minces de VO2 synthétisées par ablation laser pulsée a été étudiée. Cette analyse a permis de comprendre comment les propriétés de l’IMT de ces couches minces sont modifiées par la variation de la pression d’oxygène et, ultimement, de pouvoir les moduler en fonction des applications visées. Il a notamment été observé que les états de valence V5+ et V3+ agissent respectivement comme des dopants de type accepteur et donneur dans les couches minces de VO2. En conséquence, la réduction de la résistivité dans l’état métallique, rendu possible via l’augmentation de l’état de valence V3+ ou la diminution de l’état de valence V5+, permet d’accroître la variation de la transmission THz des couches minces de VO2. Cette augmentation est causée par une plus faible pénétration du champ électromagnétique THz dans les couches minces de VO2 qui possèdent une plus faible résistivité.

Par ailleurs, il a été démontré que les changements au niveau de la microstructure de ces couches minces en fonction de la pression d’oxygène modifient de façon importante les propriétés de la transition de phase du VO2, que ce soit la température de transition, la plage de température à laquelle la transition survient ou encore la symétrie et la largeur de l’hystérésis. En ce qui a trait aux applications, ceci démontre que, pour le développement et la fabrication de commutateurs et de détecteurs THz à base de VO2, il serait préférable d’utiliser une couche mince de VO2 déposée à faible pression d’oxygène. En effet, celle-ci possède notamment une température de transition plus basse, une variation importante de la transmission THz de part et d’autre de l’IMT et une faible hystérésis entre les cycles de chauffage et de refroidissement. Par contre, les couches minces de VO2 déposées à plus haute pression d’oxygène seraient plus

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appropriées pour des applications de type mémoire optique THz puisqu’elles possèdent une large hystérésis entre les cycles de chauffage et de refroidissement.

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