Etude du dopage des nanofils de ZnO synthétisés par voie hydrothermale

Les NFs ZnO synthétisés par croissance hydrothermale présentent une forte densité de défauts, ce qui est néfaste au bon fonctionnement des dispositifs intégrant ces nanostructures (transistors et PENGs) et limite ainsi leur usage dans le domaine de l’électronique. OH) dans la solution de croissance. Dans ce deuxième chapitre, l’effet de l’hydroxyde d’ammonium sur les propriétés électriques des NFs de ZnO, telles que la densité et la mobilité des porteurs de charge libres, est étudiée de manière approfondie. Puis, une étude de passivation thermique des défauts de ces NFs de ZnO est effectuée afin de diminuer leur dopage intrinsèque. Les propriétés électriques des NFs sont extraites grâce à la caractérisation de transistors à effet de champs à NF unique (NF-FET) spécialement fabriqués sur des substrats Si / SiO. Avec l’analyse des deux études, je montrerai que les NFs obtenus par synthèse hydrothermale, initialement apparentés à des semi-conducteurs dégénérés, sont transformés en semi- conducteurs non dégénérés par simple recuit thermique à 350°C sous atmosphère oxydante. Les conditions de recuit ainsi optimisées peuvent être utilisées pour obtenir des NFs de ZnO de haute qualité à un faible budget thermique, ce qui est très prometteur pour le développement de l’électronique flexible.

L’oxyde de zinc est un composé II-VI, constitué d’atomes de zinc et d’atomes d’oxygène. Sous forme stœchiométrique, il est considéré comme isolant [1]. Cependant, quelle que soit la technique de croissance utilisée, le ZnO obtenu est non-stœchiométrique et présente naturellement un dopage de type n. L’origine exacte de ce dopage n’est pas parfaitement connue et est toujours sujet à discussion au sein de la communauté scientifique. Néanmoins, parmi les hypothèses les plus retenues pour expliquer ce dopage, il y a l’écart à la stœchiométrie et les défauts natifs qui en découlent ou encore des impuretés incorporées durant la croissance. Plusieurs défauts natifs sont connus dans le ZnO, tel que les lacunes d’oxygène (V) de zinc dans un site d’oxygène et d’oxygène dans un site de zinc, respectivement [2,3]. L’hydrogène est aussi considéré comme étant source de dopage non intentionnel dans le ZnO [4,5]. Les défauts ponctuels natifs dans l’oxyde de zinc peuvent être classés en deux catégories suivant leurs états de charge, les défauts donneurs (V). La participation des défauts donneurs à la semi-conductivité de type n est mise en doute dans certains travaux de la littérature, à cause de la position profonde du niveau de défaut dans la bande interdite, mais aussi de leur grande énergie de formation qui conduit à une faible concentration de ce type de défauts [5,6]. D’après la littérature, la valeur de dopage de type n varie de 10.

La présence de telles densités de défauts est nuisible en vue de différentes applications électroniques, optoélectroniques ou de récupération d’énergie. Ainsi, le taux de défauts des nanostructures de ZnO jouerait un rôle important dans la détermination des performances des composants tels que les capteurs [11] ou les PENGs [12,13] car ils peuvent affecter de manière importante le dopage, le durée de vie des porteurs ou l’efficacité de la luminescence. Par exemple, il a été démontré que des capteurs ultraviolets (UV) hautement sensibles peuvent être obtenus en augmentant le nombre de défauts de surface dans les NFs de ZnO [11]. Ces derniers peuvent servir de centre de recombinaison pour les électrons libres et entraînent la formation d’une couche de déplétion en surface. Plus cette région est profonde, plus la sensibilité aux UV est élevée. Contrairement à ces résultats, une forte densité de défauts semble avoir des effets néfastes pour les PENGs à base de NFs de ZnO [12,13]. Par conséquent, il est nécessaire dans notre cas de maîtriser la qualité du ZnO nanostructuré afin d’aboutir à un dispositif électronique de performances satisfaisantes.