ELABORATION et CARACTERISATION des COUCHES MINCES d'OXYDES de CUIVRE (CUO)

ELABORATION et CARACTERISATION des COUCHES MINCES d'OXYDES de CUIVRE

(CUO)

H. SERRAR^1.2, A.BOUABELLOU², Y.BELLAL¹, A.BOUHANK¹, S.AMARA¹

1the Research Center in Industrial Technologies (CRTI) ex CSC BP64 Cheraga-Algeria. Thin Films Development and Applications Unit (UDCMA -Sétif) Algeria

h.serrar@crti.dz y.bellal@crti.dz a.bouhank@crti.dz

2Thin Films and Interfaces Laboratory, University of Frères Mentouri Constantine, Constantine25000, Algeria

serrarhacene@gmail.com a_bouabellou@yahoo.fr

Abstract—Copper oxide thin films were deposited by a low-cost and simple spray pyrolysis technique on glass substrate at 485°C, The aqueous copper nitrate Cu(NO3)₂,6H₂O with the different concentrations (0.1 M , 0.3M) used as a source of copper. The structural, morphological, and optical properties of the CuO thin films were studied by X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), UV-vis- spectrophotometer. The X-ray diffraction patterns confirm the presence of CuO phases with preferential orientation along (- 111), (111). The optical direct gap energy for Copper oxide calculated from optical absorption measurement is 2.82 eV , which is quite comparable with the report value.

Keywords

— Copper oxide, spray pyrolysis, thin film

I. INTRODUCTION

l’utilisation progressive des engrais, les colorants synthétiques, les herbicides et pesticides...etc. sont les premières agents de contamination des eaux de surface et l'environnement. Il existe plusieurs méthodes utilisées pour le traitement des eaux sont des méthodes physiques de transfert de masse : coagulation, floculation [1], à ce jour de nouvelles méthodes sont présentes tel que la photocatalyse en couche mince . La technique de la photocatalyse est découvert en 1960, par Fujishima et Honda du Japon[2], Les projets de recherches sur la photocatalyse s’intéressent à la formation des couches minces en photocatalyse cette dernière consiste à la fixation du semi-conducteur à partir des précurseurs sur des substrats de verre, des fibres de verre ou autres types de substrat [3].

D'autre part, les couches minces de CuO sont des matériaux émergents pour des applications diverses tels que le stockage d'énergie, la photovoltaïque, le guide d'onde, les capteur de gaz et la photocatalyse...etc. On distingue deux grandes catégories de méthodes d'élaboration de couches minces de CuO; les méthodes physiques et les méthodes chimiques ; Les méthodes physiques sont en général utilisées en recherche, telles que la pulvérisation cathodique et l'ablation laser. Alors que les méthodes chimiques sont

également utilisées industriellement, à cause de leur meilleur rendement (vitesse de dépôt plus grande)[4,5] ; a savoir: Le dépôt en phase vapeur chimique (CVD), Méthode sol-gel et le dépôt par bain chimique et la technique spray pyrolyse. La technique de spray pyrolyse a l'avantage sur l'autre procédé de dépôt en raison de son procédé simple et moins couteux.

Dans cet article, nous avons étudié les propriétés structurales, morphologiques et optiques des couches minces de l'oxyde de cuivre CuO déposées par la méthode spray pyrolyse. La DRX et le MEB ont été utilisés pour l'étude de phase et de la microstructure, respectivement. Et l'UV visible a été utilisée pour étudier les propriétés optiques des couches minces de CuO.

II. EXPERIMENTAL

Nitrate de cuivre trihydraté Cu(NO₃),3H₂O, l'acétone (C₃H₆O) , le méthanol ( CH₃OH ), l'eau distillée et les substrats de verre ordinaire sont les produits de base qui sont utilisés pour l'élaboration et le dépôt des couches minces de CuO par la machine spray pyrolyse au niveau du laboratoire des couches minces et interfaces, les substrats de verre sont nettoyés dans un bain ultrasonore remplir par l'acétone et le méthanol pendant 10 minute avant de les soumettre sur la plaque chauffante de la machine spray pyrolyse. Le précurseur de Nitrate de cuivre trihydraté est dissous dans des différents milieux tels que l'eau et le méthanol selon une concentration molaire de la solution de 0.1 M, L'opération de dépôt se déroule dans la machine spray pyrolyse a la température de 486 °C et avec un temps de dépôt de 5 minute pour chaque opération de dépôt.

III. RESULTATS& DISCUSSIONS

A. caractérisation structurale

La caractérisation structurale des couches minces obtenues de CuO a été faite par la diffraction de rayons - X

(DRX). La figure 1 montre le diagramme XRD de couches minces de CuO déposées par la technique spray pyrolyse.

Fig. 1 diagrammes de diffraction des rayons X des couches minces de CuO

Le diagramme de diffraction des rayons X confirme la présence de phases monolithique du CuO avec orientation préférentielle selon les plans (-111), (111)

B. caractérisation morphologique:

L’état de surface des couches minces donnée importante dans la compréhension de quelques propriétés telle que la taille des grains , la rugosité ...etc. [4]. Le contrôle pour avoir la forme des grain à l'échèle nanoparticules est d’une importance capitale pour des applications en couches minces [5].

(a)

(b)

Fig. 2 Images MEB des couches minces CuO à 486 oc avec différent grossissement

la Fig .2 montre que les grains sont à l'échèle nanométriques, ainsi que la surface est rugueux

C. Calcul du gap

Le coefficient d’absorption



est lié à l’énergie

h ν

_du

photon transmis et le gap Eg dans le cas d’un semi- conducteur comme les couches minces de CuO par la relation suivante [6] :

B(h -Eg)

p

α= h





 

 

 

B : et constante, P dans le cas d’une transition directe égale à 1/2.

α= 1 lnT d

      

l'énergie de gap des couches minces obtenues des oxydes de cuivre est calculée par l’extrapolation de la tangente de tracé de

 ^αhν 

² en fonction de l’énergie

hν

, et l’intersection de la tangente avec l’axe des abscisses représente le gap Eg [7].

Fig. 3 Détermination du Eg par extrapolation( Eg=2.82eV)

IV. CONCLUSIONS

La caractérisation structurales par DRX montre la formation de phase de CuO monophasé par le dépôt de CuO par la méthode spray pyrolyse;

La caractérisation UV-Visible des couches minces élaborées a montré que touts les films présentent une transmission optique dans l'ultraviolet;

L'image MEB des couches minces des oxydes de cuivre montre que les grains sont à l'échèle nanométriques, ainsi que la surface est rugueux cette dernière remarque et suffisant pour les phénomène de dégradation.

REFERENCES

[1] [1] P.C. VENDEVIVERE, R.BIANCHI, W.VERSTRAETE, review of emerging technologies. J. Chem. Techn. Biotechn., Issue 72, pp. 289- 302, 1998

[2] [2] Fletcher, G. E., & Slabaugh, W. H. (1960). Self-diffusion of calcium ions in calcium montmorillonite gels. Journal of Colloid Science, 15(6), 485-488.

[3] [3] Xingwang Z, Minghua Z, Lecheng L, Mater. Chem. Phys. 2005, 73-79.

[4] S. Chakrabarti, D. Das, D. Ganguli, S.Chaudhuri, "Tailoring of room temperature excitonic luminescence in sol–gel zinc oxide–silica nanocomposite films", Thin Solid Films 441 (2003) 228–237.

[5] Qing Hua Li, Deliang Zhu, Wenjun Liu, Yi Liu, Xiao Cui Ma ;

"Optical proprieties of Al-doped ZnO thin films by ellipsometry", Applied surface science 254 (2008) 2922-2926

[6] Hannane Benelmadjat, "Elaboration et caractérisation de matériaux cristallins ou amorphes pures et dopés", thèse de doctorat, Constantine (2011).

[7] Chelouche Azeddine, "élaboration des nano-composites ZnSe/SILICE, ZnO/SILICE