Elaboration et Caractérisation des Films Minces de Sb- SnO
2par Voie Sol- Gel
D.Lakhdari
1, M. Hemissi
2, O.Belgherbi
1, L.Lamiri
1Lakhdari_zahira@yahoo.fr.
1Research Center in Industriel Technologies (CRTI, ex - CSC) Thin Films and Application Unit (U.D.C.M.A)-Setif
2Laboratoire dosage, analyse et caractérisation en haute résolution, Université Ferhat Abbas de Sétif Algeria
Résumé
Les films d'oxyde d'étain dopé en antimoine Sb- SnO2 (Sb = 14 at%) ont été synthétisés sur des substrats de verre par la méthode Sol-Gel .Ils ont été trouvés uniformes, adhérents et amorphes.
après traitement thermique à 600 ° C pendant 1H, les films se révèlent être cristallins, avec une structure tétragonale cassitérite. Certains paramètres optiques de ces films, tels que l'indice de réfraction (n), coefficient d'extinction (k), le coefficient d'absorption (α) et la largeur de bande interdite ont été étudiés par la méthode Swanepoel dans un domaine compris entre 300-800 nm. On constate que le gap Eg augmente après le traitement thermique qui est de l'ordre de 4 eV.
Mots clés : oxyde d’étain, sol –gel, DRX, propriétés optiques, le gap.
1. Introduction
Depuis de nombreuses années, l’oxyde d’étain en film mince est utilisé comme revêtement transparent et conducteur électrique sur les verres (la résistivité pouvant atteindre les 10-3Ω.cm si le matériau est dopé [1] Ces couches ont une grande stabilité chimique et mécanique et présentent généralement une réflectivité importante dans l’infrarouge. Le dopage de ce matériau peut être fait avec l’antimoine, le fluor, l’indium, le molybdène, le bore, le phosphore ou encore le CdS. De nombreuses applications sont envisageables [2].
-Electrode transparentes pour affichages par cristaux liquides, écrans plats, cellules photovoltaïque etc…. Ceci est relatif à la bonne transparence de ces couches et à leurs importantes conductivités électriques.
-Boucliers thermique dans les fours, isolant thermique, double vitrage, colleteur de chaleur de chaleur solaire, encapsulation, revêtement sur émail noir en raison des propriétés de réflectivité dans l’infrarouge, revêtement de bouteilles isothermes (stabilité mécanique du matériau).
-Cellules photovoltaïque et hétérojonction avec le silicium, la stabilité chimique et thermique permettant une utilisation dans des dispositifs électronique portés à haute température.
-Détecteur de gaz car le SnO2 est un semi –conducteur à large bande interdite (3.5 à 4 eV). Dans le cas du SnO2 non dopé, la conductivité électrique est due essentiellement aux lacunes d’oxygènes ou aux ions d’étain intersites [3], à très haute température l’oxyde d’étain peut réduire en présence de gaz environnant, et certains capteurs reposent sur ces propriétés [4,5]. Ces phénomènes d’interactivités avec un milieu gazeux est relativement importants pour les échantillons déposés par pyrolyse ou par C.V.D. en raison de la morphologie particulière liée à ce mode de préparation et nous reviendrons sur ce point
2. Synthèse et caractérisation des couches minces Mode opératoire
La figure 1, représente de façon schématique l’élaboration d’une de couche de SnO2 dopé à l’antimoine par le procédé sol-gel : Cette technique peut se décomposer en trois partis :
-Le nettoyage est substrats.
-La préparation chimique de la solution pour arriver au liquide : le SOL - Le tirage sur le substrat et les recuits pour arriver au GEL
Figure 1: Procédé Sol-Gel
SnCl2 C2H5OH SbCl3
C2H5OH
Mélange+ chauffage
Mélange
Mélange+chauffage Solution
Vapeur
Solution
Poudre :alcoxyde
SOL
Tirage du film sur substrat Hydrolyse
Séchage T=100°C
Densification Film mince de SnO2 dopé à
l’antimoine
GEL Mélange+ chauffage sous vase
Mélange+chauffage
Poudre
3. Caractérisations des couches minces (RX)
Les échantillons, sont caractérisés par diffraction de rayon X à incidence rasante, les angles de diffraction utilisés varient entre 20° à 70°, w = 0.05°/min, le diffractomètre utilisé est de type DROM-3M (CuK α radiation). La préparation de poudre de SnO2 illustré dans la figure 2.
La figure 3 montre le spectre de DRX de l’échantillon recuit à température 600°C pendant 1H. On peut clairement observer l’apparition de quatre pics. Ces pics correspondants aux plans (110) (101), (211) et (440) respectivement de la phase SnO2.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
SnO2 poudre
Intensity (a,u)
2°
Figure.2: Spectre du rayon X de la poudre de SnO2
21 28 35 42 49 56 63 70 0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
(200) (211)
(101) (110)
T-600°C -1h
Intensity (a,u)
2
°
Figure.3: spectre de DRX de l’échantillon recuit à température 500°C pendant 2h
4. Caractérisation optiques des couches minces
La valeur de la bande Eg de films de Sb-SnO2 a été calculée par la méthode d'extrapolation de Tauc [6], selon la relation suivant :
(αhν)2=A(hν-Eg) (1)
Où α est le coefficient d'absorption, A est constant et Eg la bande interdite de matériau respectivement.
La figure 4 montre que le gap Eg augmente avec l’augmentation de la température de recuit. Les valeurs de la bande interdite directes de films de SnO2 sont de 4,0 et 4.036 avant et après recuit respectivement,
Les valeurs de gap Eg trouvé dans ce travail sont proches de ceux rapportés dans la littérature [7]. Il est bien connu que la largeur de bande est d'environ 2,7 eV et 3,9 eV pour SnO et SnO2, respectivement [8]. Comme les valeurs de ce paramètre trouvé sont très proches de ce SnO2, nous pouvons conclure la présence d’une seule phase de SnO2 après recuit à 600°C pendant 1H.
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0
1 2 3 4
(a)
(h)2(nm-2eV2)*10-3
Energy(eV)
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
0 1 2 3 4
(b)
(ahn)2(nm-2eV2)*10-3
Energy(eV)
Figure 4 : Calcule Eg de SnO2 films (a) avant traitement, (b) après traitement thermique
5. Conclusion
La technique sol-gel s’avère être une très bonne méthode pour l’obtention de couches minces nanocristallines, l’épaisseur de notre échantillon d’étude est de e = 2500 Å.
L’étude radiocristallographieique montre que le SnO2 dopé à 14% en Sb ne présente que la structure du SnO2. Il n’y a pas formation de composés intermédiaires ni de composé d’oxyde d’antimoine, la limite de solubilité de Sb dans SnO2 n’est alors pas atteinte, il s’agit de solution solide.
Références
[1] C.J.R. Gonzalez-Oliver. I. kato, J. Kato, J.Non-Cryst.Solids, 82 (1986) 400.
[2] H. De-Waal. F. Simonis, Thin Solid Films, 77(1981) 253 [3] M. Graetzel, B. O’Regan, Nature 353 (1991) 737.
[4] M. Graetzel, Millenium Special Issue, Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2000, 8, 171-185
[5] M. Graetzel, “Photoelectrochmical cells” Nature 414 (2001)338-344 [6] R. Swanepoel, J. Phys E. Sci. Instrum. 16(1983) 1214
[7] H. R. Fallah, M. Ghasemi, A. Hassanzadeh, Physica E 39 (2007) 69–74
[8] Z.G. Ji, Z.J. He, Y.L. Song, K. Liu, Y. Xiang, Thin Solid Films 460 (2004) 324.
