Effet de la température du substrat sur les propriétés électrochimiques de couches mince d’oxyde de zinc : élaborées par spray ultrasonique
M.Mokhtari1, A. Ziouche2, M.Zergoug2, S.Bouhouche1, M. S. Aida3, F. Bourfaa3
1Scientific Research Center on Welding and Control (CSC), Unité de Recherche Appliquée en Sidérurgie Métallurgie, URASM/CSC ; B.P 196, 23000 Annaba, ALGERIE
m.mokhtari@csc.dz
2Scientific Research Center on Welding and Control (CSC), Chéraga, ALGERIE
3Laboratoire Couches Minces et Interfaces LCMI, Univ. Mentouri, Constantine, ALGERIE
Résumé
Dans ce travail, des couches minces d'oxyde de Zinc ont été déposées par la méthode de spray ultrasonique sur des substrats en verre. Notre contribution à l'étude de cet oxyde transparent porte sur les revêtements en couche mince et leurs propriétés.
Comme toutes couches minces, les propriétés physico-chimiques des films ZnO élaboré par pulvérisation chimique sont sensibles aux conditions d’élaboration tell que la température, le précurseurs, la concentration…etc.
Notre objectif consiste à optimiser la qualité des films minces de ZnO par l’étude de l’influence de la température de substrat sur les propriétés électrochimiques dans un milieu salin
Les résultats obtenus par les tests électrochimiques indiquent que la résistance intrinsèque à la corrosion des films est sensible a la température du substrat. Une meilleure résistance à la corrosion est obtenue pour la température 450°C.
Mots Clés : ZnO, couche mince, DRX, corrosion, Méthode de Spray ultrasonique.
Introduction
L’oxyde de zinc (ZnO) est un oxyde semi-conducteur, qui possède un gap direct (3,37 eV) et une importante énergie de liaison (60 meV) [1]. Ces dernières décennies ; l’oxyde de zinc, déposé sous forme de couches minces, ont connus un intérêt croissant dans divers domaines [2,3,4], qui, en plus d’avoir des propriétés physiques remarquable, ils présentent une grande transparence dans le visible ; une propriété qui peut être exploitée à l'heure actuelle pour la protection des pièces d’influences externes telles que l’humidité, une atmosphère saline, ou une atmosphère industrielle.
Parmi les techniques les plus utilisés pour la fabrication des couches minces en ZnO, on trouve la technique spray ultrasonique [5]. Une technique qui présente certains avantages par rapport aux autres méthodes : elle est simple, facile, pas chère et qui utilise des moyens traditionnels et non coûteux [6,7].
Des couches minces de ZnO sont obtenus à partir d‘une solution de départ, contenant un précurseurs de Zn, dissous dans l’éthanol ou l’eau distillée (dissolvant) selon le rapport molaire désiré est pulvérisé par une buse assisté par un gaz porteur sur un substrat chouffé.
Quand les fines gouttelettes atteignent le substrat, ils agissent pour former un film mince, dont la qualité et les propriétés du film dépendent de plusieurs paramètres tels que la température du substrat, la molarité et la concentration de la solution du départ [8].
Notre objectif consiste à optimiser la qualité des films minces de ZnO par l’étude de l’influence de la température de substrat sur les propriétés électrochimiques dans un milieu salin.
1. Méthode expérimental 1.1.
ElaborationDes couches minces de ZnO ont été déposées sur un substrat en verre par la technique spray ultrasonique (pulvérisation Chimique). La solution utilisée est l’acétate de zinc (C4H6O4Zn.
2H2O) de masse moléculaire M=219,38 (g/mole) comme précurseur, dissoute dans du méthanol et pulvérisé sur des substrats en verre placés au dessus d’un porte substrat chauffé à des températures allant de 300 à 450°C.
Pour caractériser et déterminer la structure des films obtenues, la diffraction des rayons X en incidence rasante a été utilisée.
Pour étudié les propriétés anticorrosion de ces films dans solution à 3% de NaCl, des méthodes électrochimiques ont été utilisées. Elles permettent de choisir et de déterminer la température du substrat efficace pour la quelle une meilleur résistance de corrosion est obtenue.
2. Résultats et discussion
2.1.Effet de la température du substrat (Ts) sur la structure
La figure 1 montre une série de diffractogrammes des rayons X des films de ZnO. Tous les spectres de nos films représentent le même pic dominant (002) qui correspond à l’angle 34°.
Cela signifie que les couches sont monophasé avec une structure hexagonale wurtzite [9] et d’une orientation préférentielle suivant l’axe c perpendiculaire au substrat.
300°C 450°C 400°C
2θ (degrée)
Intensité (U.A) (002)
Figure 1 : Spectres de diffraction X des couches minces de ZnO préparées avec différentes températures de substrat.
(101) (102)
2.2.Effet de la température du substrat (Ts) sur la résistance de corrosion
Les courbes de polarisation (fig.2) ont été obtenues dans un domaine de balayage de -600 mV/ECS à 0mV/ECS, à une vitesse de balayage de 12 mV/min.
Les courbes tracées pour les températures étudiées, se composent de branches cathodique et anodique puis l’appaition d’un domaine de passivation qui commence a partir du potentile - 120. mV/ECS quelque soit la température. Les courbes montrent un déplacement du potentiel de corrosion vers le sens positif, il se déplace vers des valeurs plus nobles avec l’augmentation de la température du substart.
Les resultats déduits des courbes de polarisation (tableau 1), montrent que lorsque la température de substrat augmente le potentiel de corrosion tend vers des valeurs plus positives, ainsi les meilleures performances électrochimiques en milieu chloruré sont attribuées Ts= 450°C avec un courant de corrosion faible, il est de l’ordre de 65.7ηA, et un potentiel qui tend vers des valeurs nobles -280,5mV/ECS. Par ailleurs, Nous remarquons que la résistance de polarisation des films s’améliore en fonction de l’augmentation de la température.
Les valeurs de potentiel de corrosion obtenues montrent que les températures appliqués ont de très grande d’influence sur le comportement de corrosion des couches un comportement qui semble directement lié l’affinement des grains de la structure provoqué par la température du substrat.
Les éssais potentiodynamique, montrent que les échantillons présentent la même tendance à former spontanément un film d'oxyde qui améliore les caractéristiques de protection.
a) b) c)
Figure 2 : Courbes de polarisation de couche minces en ZnO dans le milieu NaCl 3,5% à différents températures de substrat : a) 450°C, b) 400°C et b) 300°C.
Tableau 1 : Paramètres électrochimiques déduits des courbes de polarisation
3. Conclusion
Les couches minces de ZnO ont été déposées par la méthode spray ultrasonique sur des substrats en verre. L’effet de la température du substrat sur les propriétés électrochimiques a été étudié. Les films déposés de ZnO ont montré une orientation préférentielle selon l’axe-c perpendiculaire à la surface du substrat. La caractérisation électrochimique a montré que les températures appliqués ont de très grande d’influence sur le comportement de corrosion des couches.
Références
[1] A. Hafdallah, F. Ynineb, W. Daranfed, N. Ataf et M.S. Aida, Revue « Nature &
Technologie ». n° 06/Janvier 2012. Pages 25 à 27.
[2] D.Royer et E Dieulesaint. Ondes élastiques dans les solides, ed. Masson, Tomel,(1999).
[3] J. A. Thornto. J. vac. Sci. Technol, Vol4 (6), p. 3059(1986).
[4] S.Dengyuan et al, Solar Energy Materials & Solar Celles 73, pp1- 20(2002)].
[5] S.M. Abrarov, Sh.U. Yuldashev, S.B. Lee, T.W. Kang, Journal of Luminescence 109 (2004) 25–29.
[6] G. Huertas « Etude de Nouveaux Matériaux D’électrode Positive et D’électrolyte Solide Vitreux Sous Forme de Couches minces pour des Couches Minces Microbatteries au Lithium » Thèse de doctorat (2007).
[7] F. Gao, Sajo.P. Naik, Y. Sasaki, T. Okubo, Thin Solid Films 495 (2006) 68–72.
[8] M.A. Lucio-Loopez, M.A. Luna-Aria, A. Maldonado, M. de la L. Olvera, D.R. Acosta, Solar Energy Materials and Solar Cells 90(2006) 733–741.
[9] Powder Diffraction File Data Card 5-644,3cPDS International Center for Diffraction Data, Swartmore, PA.
Température de substrat (Ts)
300°C 400°C 450°C Ecor (mV/ECS) -371.0 -345.0 -280,5 Icor (ηA) 401.4 350.3 65.7
Vcor (10-3 mm/an) 217.4 194.3 35.7
Rp (KΩ) 35.7 63.8 549.3
