Etude des propriétés physico-chimiques d’un oxyde semi-conducteur dopé

Abstract

L'oxyde de zinc, ZnO, en tant qu'oxyde conducteur transparent, reçoit actuellement un intérêt croissant pour le développement de nouvelles applications technologiques grâce à ses excellentes propriétés physico-chimiques ainsi que son abondance, son faible coût et sa non-toxicité. Ainsi, pour améliorer et maîtriser les performances de ses dispositifs, une meilleure compréhension de ses caractéristiques et des phénomènes physiques engendrés est devenue une priorité universelle. Dans ce contexte, en utilisant les deux approches théorique et expérimentale, nous avons étudié dans cette thèse ce semi-conducteur sous sa forme massif et en couches minces. Les investigations théoriques ont été effectuées par le code Wien2k pour déterminer les propriétés structurales, électroniques, optiques et thermoélectriques de ce polymorphe. Parmi les diverses approximations testées, nous avons opté pour la plus précise et la plus adéquate qui est l'approximation combinée PBE et PBE-mBJ pour étudier les propriétés de la phase la plus stable, wurtzite, de ZnO pur et dopé à l’Al (AZO) avec différentes concentrations : 2 % ; 6,5 % et 12,5 %. Nos résultats ont démontré que le ZnO pur possède un gap d'énergie direct de 2,81 eV, un comportement semi-conducteur de type n, la plus forte absorption est dans la région UV, au-dessus de 9 eV, une transmission élevée dans le spectre visible et un seuil de conductivité optique à 2,8 eV.L’étude et l'analyse des propriétés thermoélectriques (S, ��, ��, FP, ZT) à différentes températures (300 K – 900 K) a permis de conclure que ZnO peut être considéré comme un bon matériau thermoélectrique grâce à sa valeur élevée du facteur de mérite qui s'approche de l'unité. Quant à l’AZO, nous avons enregistré une diminution du volume de la supercellule, une augmentation du gap optique, une réduction de la réflectivité, une augmentation du coefficient d’absorption et une absorption plus importante le long de la direction zz dans l'IR. Aussi, nous avons montré que l’AZO est un bon matériau thermoélectrique et sa conductivité thermique est fortement dépendante de la température. Par ailleurs, pour l'étude expérimentale, le système de pulvérisation magnétron RF multi-sources en configuration confocale a été utilisé pour déposer, sur des substrats en verre et en quartz, des bicouches AZO/Cu avec une épaisseur constante de 65 nm d'AZO et des épaisseurs variables de Cu : 4 nm, 7 nm, 10 nm and 13 nm. Les échantillons obtenus ont été caractérisés par plusieurs techniques (DRX, AFM, spectrophotométrie, effet Hall) pour déterminer leurs caractéristiques microstructurales (taille des cristallites), morphologiques (rugosité), optiques (transmittance et photoluminescence,) et électriques (��, µ, n). Il en résulte que ces bicouches sont de type n dû à la dominance de la couche de ZnO. De plus, les propriétés physiques et optoélectroniques dépendent de l'épaisseur de la couche de Cu et du substrat. La meilleure performance optoélectronique a été relevée avec le verre comme substrat et une épaisseur de Cu de 13 nm. En outre, l’étude comparative entre les structures Cu/AZO/verre et AZO/Cu/verre a montré qu’aussi bien les propriétés optiques qu’électriques dépendent fortement de l’épaisseur de la couche Cu d'une façon qualitativement similaire pour les deux structures. Cependant, l'utilisation des configurations AZO/Cu/verre améliore les propriétés en particulier la conductivité des bicouches pour d'éventuelles nouvelles applications.