L’oxydation dans la nature est la haute énergie électrique de l’oxygène

L’oxyde de Zinc ZnO et l’oxyde d’étain SnO2

L’oxydation dans la nature est la haute énergie électrique de l’oxygène, et comme l’oxygène est le gaz le plus abondant sur terre, nous le trouvons dans de nombreux composés. Le transfert total des frontières se fait par l’oxygène et le composant avec lui dans la composition, où la charge d’oxygène est 2e, alors l’oxydation de l’élément est la charge cationique obtenue pour atteindre cet état. En laboratoire, le processus d’oxydation est la création de composés selon différentes méthodes de laboratoire, de sorte que ce composé contienne de l’oxygène et un autre élément métallique (MxOy), M est le symbole chimique de l’atome de métal considéré, O le symbole de l’atome d’oxygène, “x“ et “y“ des entiers naturelles, avec une présence équivalente dans les charges. Nous pouvons classer les oxydes métalliques, soit selon la nature de la conduction par électrons ou par trous, ou selon que les oxydes métalliques soient simples ou complexes par exemple : Al2O3, CuO ,ZnO, SnO2, Fe2O3 . Les transporteurs sont classés en deux types, type n et type p, selon les transporteurs de charges les plus denses dans le semi-conducteur. Dans notre travail, nous nous intéressons à deux de ces oxydes les plus importants qui sont oxyde de Zinc (ZnO) et l’oxyde d’étain SnO2. 

L’oxyde de zinc ZnO 

Généralités sur le ZnO

L’oxyde de Zinc (ZnO) est un matériau semi-conducteur à large bande interdite (3,37 eV à 300K)[1]. C’est un gap direct. Il est actuellement l’un des matériaux les plus étudiés grâce à son vaste potentiel d’applications. Le ZnO est un matériau dont l’utilisation s’est accrue dans plusieurs domaines d’applications tels que les transducteurs piézo-électriques, les guides d’onde optiques, l’acousto-optique, les diodes électroluminescentes, les cellules photovoltaïques, et les électrodes transparentes (cellules solaires), ainsi que dans le domaine médical (blocage des UV dans les crèmes dermatologiques) [2,3,4,5]. Ce qui justifie la diversité des méthodes d’élaboration utilisées pour l’obtention de ce matériau, ainsi que l’effort considérable déployé à l’étude de ce matériau tant sur le plan fondamental que sur le plan application technologique [2]. Cet oxyde quasiment insoluble dans l’eau se présente généralement sous la forme d’une poudre blanche infusible communément appelée « zinc blanc », « blanc de zinc » ou « fleur de zinc ». L’oxyde de zinc est un composé pouvant cristalliser sous forme wurtzite, blende de zinc ou Rocksalt..

Propriétés structurales du ZnO

L’oxyde de zinc (ZnO) est un semi-conducteur de groupe II-VI, qui cristallise dans une structure hexagonale de type würtzite (figure 1) appartenant au groupe d’espace P63mc. La différence d’électronégativité entre l’atome d’oxygène et l’atome de zinc place l’oxyde de zinc à la frontière entre semi-conducteur à caractère polaire covalent et semi-conducteur à 4 caractère ionique. La forme wurtzite est largement privilégiée dans les conditions normales de température et pression. Elle est formée par l’empilement de plans d’atomes d’oxygène chargés négativement et de plans d’atomes de zinc chargés positivement. Les paramètres de maille d’un réseau hexagonale de ZnO sont : a = 3.25 Å et c =5.2 Å. Le rapport c/a est d’environ 1.60 qui est proche de la valeur idéale pour une cellule hexagonale c.-à-d : c/a = 1.633. Les cristaux d’oxyde de zinc montrent plusieurs orientations préférentielles. Pour une meilleure transparence et une bonne conductivité, l’orientation des cristaux constituants le ZnO doit se faire suivant le plan 

Propriétés optiques

L’interaction de la lumière (onde électromagnétique) avec la matière (électrons du matériau) peut expliquer clairement les propriétés optiques d’un matériau. Lors de l’application de la théorie de dispersion sur un matériau, il convient de séparer l’absorption fondamentale de l’absorption des porteurs libres. Si seule la première contribution est présente, le matériau a la qualité d’un diélectrique. Le cas échéant, le matériau est un métal. Pour les semi-conducteurs, les deux contributions sont importantes. La première correspond au seuil d’absorption interbandes et sépare la zone d’absorption dans l’ultraviolet de la zone à forte transparence dans le visible. La seconde repère le front de la montée de la réflectivité dans l’infrarouge correspondant aux oscillations de plasma des électrons de conduction.

Une onde électromagnétique interagissant avec le semi-conducteur sera complètement absorbée par celui-ci si l’énergie associée à l’onde électromagnétique est capable de transférer des électrons de la bande de valence à la bande de conduction, c’est-à-dire, si cette énergie est au moins égale à celle de la largeur de la bande interdite. L’indice de réfraction a une valeur variant entre 1,7 et 2,2 suivant les auteurs [8]. 1.4 Propriétés électriques: Le ZnO est composé d’atomes de Zinc et d’atomes d’Oxygène appartenant au II et VI groupes du tableau des éléments périodiques. Les structures électroniques de bande de l’oxygène et du zinc sont: Zn: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 O: 1s2 2s2 2p4 Les états 2p de l’oxygène forment la bande de valence et les états 4s de zinc constituent la bande de conduction..

D’une manière générale, l’oxyde de zinc non dopé est considéré comme un semiconducteur de type n. Il est possible de modifier la résistivité électrique de l’oxyde de zinc par dopage, en introduisant des atomes de zinc en excès en position interstitielles, ou en créant des lacunes d’oxygène. Ces interstitiels de zinc et ces lacunes d’oxygène aussi créés, se comportent comme des donneurs d’électrons, et conduisent à une diminution dela résistivité électrique du matériau. La résistivité électrique dépend du nombre des porteurs libres et de leur mobilité. Selon le mode de préparation on peut obtenir des mobilités différentes. ont montré que la mobilité dépend de la température du recuit in-situ et de la taille de cristallites du ZnO. Lorsque la température augmente de 160°C à 300°C, la mobilité du ZnO passe environ de 10 cm² V -1 s -1 à 22 cm² V-1 s -1 alors que la taille des cristallites augmente de 145 nm à 275 nm. Audelà de 300°C, les auteurs montrent d’une part que la mobilité diminue de 22 cm² V-1 s -1 à 19 cm² V-1 s -1 et d’autre part que la taille des cristallites diminue de 275 nm à 270 nm[9]. 

L’oxyde d’étain SnO2 

Généralité sur dioxyde d’étain SnO2 

Le dioxyde d’étain, ou oxyde d’étain (IV), est un composé chimique de formule SnO2. Sa forme minérale est la cassitérite, qui est le principal minerai d’étain. C’est un oxyde conducteur (TCO) de type n, chimiquement inerte, mécaniquement dur et thermiquement stable. Parmi ses applications, il est utilisé dans la fabrication de lustres opaques et de lustre à un taux de 5-15% en masse, est le premier conducteur transparent abondamment commercialisé. Grâce à ses propriétés telles que la faible résistivité électrique, la grande transmittance optique et la grande réflectivité dans la région infra rouge, il peut être utilisé comme anode dans les batteries à base de lithium, comme électrode conductrice dans les couches minces des cellules photovoltaïques et comme réflecteur de chaleur dans les applications solaires et dans les écrans plats. Il est également l’un des oxydes métalliques les plus utilisés dans le domaine de la surveillance de la pollution atmosphérique et la détection des gaz toxiques.

Propriétés structurales 

L’oxyde d’étain ou « oxyde stannique » se trouve à l’état naturel sous forme de cassitérite minérale. La cassitérite est un oxyde de couleur variable, allant du jaunâtre au noir, elle est connue et exploitée depuis les temps les plus anciens. Son nom (du grec kassiteros, « étain ») lui a été donné par le minéralogiste français Beudant en 1832. Cependant, la cassitérite est connue depuis plus de 5000 ans. Elle est caractérisée par un éclat adamantin. Elle peut être transparente ou translucide. De clivage imparfait, elle est dure et lourde. La structure du dioxyde d’étain est de type rutile (figure 2). La maille élémentaire est généralement (tétragonal) quadratique (a = b = 0,475 nm et c = 0,318 nm) et contient six atomes : deux atomes d’étain et quatre atomes d’oxygène.

Chaque atome d’étain est le centre d’un octaèdre presque régulier formé par six atomes d’oxygène, tandis que chaque atome d’oxygène est entouré par trois atomes d’étain situés aux sommets d’un triangle isocèle. L’oxygène est en position 4f (groupe d’espace P42/mmm) donnée par (u ; u ; 0), (1-u ; 1-u ; 0), (1/2+u ; 1/2-u ; 1/2) et (1/2-u ; 1/2+u ; 1/2) avec u = 0.31. L’étain est situé : (1/2 ; 1/2 ; 1/2) et (0 ; 0 ; 0). Les rayons ioniques du cation Sn4+et de l’anion O2-ont pour valeurs respectivement 0,071 et 0,14nm . Toutefois il a été observé que sous des pressions assez élevées, il peut se cristalliser dans une structure orthorhombique . Notons que cette structure c’est une phase instable et intermédiaire..