Les techniques de caractérisation

Les techniques de caractérisation

Diffraction des Rayon X(DRX) Le principe ‘DRX’ est fondé sur la diffraction des rayons X sur la matière qu’on veut analyser. Les interférences des rayons diffusés peuvent être alternativement constructives ou destructives. La condition de diffraction est satisfaite que dans le cas où ces interférences sont constructives, les directions dans le cas de ces interférences sont appelées pics de diffraction. Les directions peuvent être déterminées facilement par l’intermédiaire de la loi de Brag donnée par 2dhkl sin =nλ (III .1) est la longueur d’onde du faisceau monochromatique incident (en Å) : représente le demi-angle de déviation (en rad) et dhkl correspond à la distance interréticulaire (en Å) entre deux plans cristallographiques successifs aux indices (h, k,l). 

Spectroscopie Raman

La spectroscopie Raman utilise le principe de la diffusion inélastique de la lumière par la Matière. Ce phénomène de diffusion correspond à la création, par l’onde électromagnétique Excitatrice, d’un dipôle induit qui rayonne. Ce dipôle induit est lié à la polarisabilité de la molécule et correspond à une déformation de son nuage électronique. Pour qu’il y ait diffusion Raman, il faut qu’il y ait une variation de la polarisabilité de la molécule (en  quelque sorte, que le nuage électronique de l’édifice moléculaire se déforme) lors de la vibration. L’excitation est monochromatique, et possède donc une énergie fixe, supérieure en ordre de grandeur à celle des vibrations moléculaires. Lors de l’interaction, la molécule est portée dans un état énergétique élevé et de courte durée de vie: il est appelé « état virtuel », figure III.2. Lors de la désexcitation de la molécule, trois cas peuvent être envisagés. ➢ La désexcitation se fait à la même fréquence que l’excitation: c’est la diffusion Rayleigh élastique. ➢ La désexcitation se fait à une fréquence inférieure à celle de l’excitation : c’est la diffusion Raman inélastique Stokes. ➢ La désexcitation se fait à une fréquence supérieure à celle de l’excitation: c’est la diffusion Raman inélastique anti-Stokes. Pour les deux derniers cas, la différence énergétique correspond à un écart d’énergie vibrationnelle.

Microscopie électronique à balayage MEB

C’est une technique qui permet l’observation de la topographie de la surface de l’échantillon sous forme d’image lumineux, avec une très haute résolution de l’ordre du nanomètre. Le principe de cette technique est comme suit, le faisceau d’électron est produit par un canon à électron qui joue le rôle d’une source, ce faisceau et réduit par des lentilles électromagnétiques, qui permettent de former un faisceau d’électron monocinétique très fin (10 Å à 200 Å). Pour exciter l’échantillon à étudier le faisceau d’électron est focalisé sur la surface de l’échantillon sous forme d’une tache ‘Spot’ de quelque nanomètre appelé ‘sonde électronique ‘à l‘aide de bobines déflectrices qui sont disposées convenablement, permet de déplacer le faisceau et de balayer la surface de l’échantillon.Les différents signaux émis sont captés par des détecteurs spécifiques, après l’amplification de signal, une image est reconstruite point par point de la surface de l’échantillon sur l’écran de visualisation 

Spectrophotomètre UV-VIS 

La spectrophotométrie UV-Visible, est une technique permettant d’étudier les propriétés optiques des couches minces. Elle consiste à envoyer un faisceau de rayons lumineux monochromatique sur la couche et à mesurer l’intensité du rayon transmis ou réfléchi. Avant d’atteindre la couche, le rayon est préalablement séparé en deux. Ainsi, l’un des deux rayons ainsi obtenus servira de référence, afin d’évaluer le pourcentage de lumière transmis par la couche .

Mesure de l’épaisseur

Nous avons utilisé la méthode des franges d’interférences (décrite ci-dessous) pour estimer les épaisseurs de nos échantillons les constantes physiques utilisées dans les calculs sont définies dans la figure III.5. n0 est l’indice de l’air, T est la transmission, n et s sont les indices de réfraction du film et de substrat respectivement.Dans le cas où la couche est épaisse et lisse, des réflexions multiples de la lumière se font entre la surface de la couche/ substrat et couche /air, ce qui provoque l’apparition, sur le spectre de transmission, des franges avec des minima et des maxima d’interférences en fonction de la longueur d’onde, (figure III.5.b). Soient n1 et n2 les indices de réfractions de la couche pour deux maximums adjacents correspondant aux longueurs d’onde λ1 et λ2. 

Microscopie à force atomique (AFM)

La microscopie à force atomique (AFM) est une technique permettant d’étudier la topographie de surface des échantillons. Il se base sur les interactions (le plus souvent répulsives, parfois attractives) entre les atomes d’une pointe fine et les atomes de la surface de l’échantillon. Les forces impliquées sont de l’ordre du nanonewton. La pointe, très fine, est reliée à un micro-levier. Grâce à un tube piézo-électrique qui déplace la pointe dans toutes les directions et de mesurer les forces d’interaction entre celle-ci et la surface de l’échantillon [24]. Cette force d’interaction est évaluée en mesurant la déflexion verticale du levier, La déflexion du micro-levier est mesurée par une détection optique. Un faisceau d’une diode laser est focalisé sur l’extrémité de celui-ci puis réfléchi dans une photodiode séparée en deux ou quatre quadrants. La déflexion du levier provoque un déplacement du faisceau réfléchi sur la diode et donc une variation de la différence de tension mesurée entre les différentes parties du photo-détecteur.

Mesures de résistivité 4 pointes

C’est une méthode simple et rapide qui mesure la résistivité des couches minces. Elle est basée sur l’utilisation de quarte pointes (sondes) équidistantes en contact direct avec la surface de l’échantillon, placées soit linéairement, soit sous forme d’un carré. Le principe de la mesure est simple, il suffit d’injecter un courant (I) aux deux pointes extrêmes et de mesurer la tension (V) au niveau des deux pointes internes (figure III.7). 

Nettoyage des substrats

Les couches de Cu2ZnSnS4 sont déposées sur des substrats en verre. Le choix du substrat dépend de la caractérisation à effectuer sur la couche. La qualité du dépôt et par suite celle de l’échantillon dépend de la propreté et de l’état du substrat. Son nettoyage est donc une étape très importante : il faut éliminer toute trace de graisse et de poussière et vérifier, même à l’œil, que la surface du substrat ne comporte, ni rayures ni défauts de planéité. Ces conditions sont indispensables à la bonne adhérence du dépôt sur le substrat, et à son uniformité (épaisseur constante). Le procédé de nettoyage de la surface des substrats est donné comme suit : ✓ Dégraissage ; ✓ Rinçage à l’eau distillée pendant 15 min ; ✓ Nettoyage par ultrasons pendant 10 minutes dans un bécher rempli de méthanol pour éliminer les traces de graisses et d’impuretés collées à la surface du substrat ; ✓ Séchage à l’aide d’un séchoir. 

Dépôt des couches minces

Pour déposer nos couches nous avons utilisé la méthode de Spray ultrasonique. Le substrat déposé sur une résistance – dont l’alimentation est reliée à un régulateur de température- est chauffé progressivement jusqu’à 350°C pour éviter le choc thermique. Lorsque la température choisie est atteinte, des gouttelettes très fines de la solution de la CZTS sont pulvérisées sur le substrat pendant 15 min, le dissolvent s’évapore en raison de réaction endothermique des composés formant le film. A la fin du dépôt, on laisse les substrats refroidir jusqu’à la température ambiante, ensuite on récupère les échantillons.