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Etude sur l’oxyde de zinc
C’est un semi-conducteur qui a des propriétés physiques qui lui permettent d’être adopté pour de nombreuses applications. Nous allons donner dans cette section les propriétés cristallographiques, optiques et électriques et quelques-unes des applications de l’oxyde de zinc.
Propriétés cristallographiques : Comme la plupart des semi-conducteurs composés du groupe II-VI, l’oxyde de zinc cristallise soit dans la structure Sphalérite (CFC), soit dans la structure Wurzite (hexagonale) où chaque anion est entouré par quatre cations situés aux extrémités d’un tétraèdre et vice versa. Cette coordination tétraédrique est le type d’une liaison covalente Sp3 . Le ZnO est un matériau qui a un caractère ionique se situant à l’interface des semi-conducteurs covalents et ioniques . Il peut exister dans la nature sous forme de poudre ou de cristal massif . Du point de vue cristallographique, on peut le retrouver sous trois types de structures différentes, selon les conditions d’élaboration, qui sont:
la structure Hexagonale Wurzite, la plus stable dans les conditions normales ; la structure Zinc-Blindé qui ne peut être stable que par croissance sur des substrats cubiques ; la structure NaCl, obtenue qu’à haute pression.
Propriétés Optiques : L’oxyde de zinc est un matériau transparent en couche mince. Sa transparence dans les régions visibles et proches infrarouges du spectre solaire est liée à la valeur de la bande interdite (Eg=3,3 eV). La forme du spectre d’absorption intrinsèque peut être observée seulement sur les couches minces à cause de leur grand coefficient d’absorption. Le seuil fondamental d’absorption du ZnO se situe dans l’ultraviolet . L’indice de réfraction du ZnO sous sa forme massive est égal à 2 . D’un autre côté, sous sa forme de couche mince, les valeurs de l’indice de réfraction varient entre 1,90 et 2,20 suivant les auteurs . Le coefficient d’absorption varie aussi. Ces changements sont occasionnés par les conditions d’élaboration des couches. L’amélioration de la stœchiométrie du ZnO conduit à une diminution du coefficient d’absorption et à une augmentation de l’énergie de la bande interdite .
Saphir et ses applications
Le saphir convient parfaitement bien à de nombreuses applications grâce à une combinaison unique d’excellentes et d’innombrables propriétés physiques. Les propriétés optiques, associées à une résistance de température élevée rendent le saphir indispensable à la technologie du laser. Il en est de même pour le verre en saphir qui est résistant aux rayures et est utilisé pour des caméras de qualité supérieure et des appareils mobiles. L’industrie chimique apprécie le saphir pour les pièces qui sont soumises à des matériaux agressifs comme l’acide ou la base à la haute pression et aux températures élevées. Le saphir joue un rôle important dans la microélectronique en tant qu’isolant à fiabilité élevée. En raison de ses propriétés optiques, de la dureté élevée et de sa résistance à tous les produits chimiques, le saphir joue un rôle important dans différentes applications de l’industrie médicale.
Méthode de dépôt de couches minces
Croissance de l’oxyde de zinc : La couche mince d’un matériau donné est un élément de ce matériau dont l’épaisseur est très faible. Elle s’exprime en nanomètre.
La croissance des couches de ZnO se fait sur plusieurs types de substrats, y compris le verre et le Saphir.
Plusieurs méthodes de dépôt sont utilisées pour déposer des couches de ZnO : la pulvérisation cathodique et le dépôt chimique en phase vapeur sont utilisés pour obtenir des couches poly cristallines. D’autres techniques de dépôts comme le dépôt par ablation laser pulsé ou dépôt par épitaxie permettent aussi la croissance des couches de ZnO. Pour déposer du ZnO, les substrats qui présentent un meilleur accord de maille sont favorisés. Les substrats en Saphir sont généralement utilisés pour la croissance du ZnO par épitaxie. Cette méthode permet le control précis des paramètres de dépôt et la possibilité d’effectuer des diagnostics sur place, pendant que le phénomène se déroule.
Technique de dépôt par Epitaxie par jets moléculaires (MBE) : La technique d’épitaxie a été développée pour la croissance des semi-conducteurs (Si, ZnS et ZnO) car elle permet de réaliser des homo-épitaxies. Avec cette méthode, on peut réaliser aussi hétéro-épitaxies à basses températures contrairement à d’autres méthodes comme le CVD Le dépôt des couches minces de ZnO par MBE se fait en utilisant le zinc et l’oxygène. Cette méthode consiste à envoyer un ou plusieurs jets moléculaires vers un substrat préalablement choisi pour réaliser la couche. Le principe de dépôt se traduit par évaporation du matériau à déposer en le chauffant par effet joule (fil résistif) ou bombardement électronique (canon à électrons) etc. Dès que le matériau s’évapore, les atomes s’échappent et se propagent dans l’enceinte de dépôt jusqu’à ce qu’ils rencontrent un obstacle. Sous l’influence du vide très poussé de l’enceinte (classiquement de l’ordre de10−10 Torrs), le libre parcours moyen d’un atome est très grand. Ce qui implique que les flux d’atomes évaporés sont directionnels. Les atomes se déplacent en ligne droite sans aucun choc avant de se déposer sur le substrat. C’est pourquoi on parle de jets moléculaires ou atomiques.
Etude sur le Saphir
Le Saphir est de plus en plus répandu dans le domaine des sciences et technologies. C’est un matériau qui a des propriétés qui répondent aux environnements difficiles.
Dans cette partie, nous allons traiter les propriétés cristallographiques et optiques du Saphir et donner quelques-unes de ses applications.
Propriétés Cristallographiques : Le saphir est l’un des meilleurs diélectriques à la température ambiante. Il est composé d’atomes d’aluminium et d’atomes d’oxygène disposés selon un système cristallin dit trigonal.
La nature des liaisons atomiques est ionique et sa structure cristalline peut être décrite à la fois par un réseau rhomboédrique et un réseau hexagonal. Le réseau rhomboédrique présente un paramètre de maille a= 5,128 Å et α= 55° . Ce cristal possède un axe de symétrie, appelé axe c. Son rayon ordinaire est polarisé perpendiculairement à l’axe c du cristal (polarisation δ) et le rayon extraordinaire est polarisé parallèlement à l’axe c (polarisation π) .
Propriétés optiques : Le saphir est un matériau transparent, à éclat vitreux et sans clivage. Il a des propriétés optiques anisotropes. L’indice ordinaire de réfraction du Saphir (𝑛0 ) pour la polarisation parallèle est entre 1,768 et 1,778. Cependant, son indice extraordinaire de réfraction (𝑛𝑒) pour la polarisation normale est compris entre 1,760 et 1,768. Le saphir est biréfringent uniaxe négatif (𝑛0˃𝑛𝑒). Dans le visible et le proche infrarouge, la structure de bande électronique détermine les caractéristiques spectrales (absorption et émission) du Saphir. Sa grande bande interdite, d’environ 8,8 eV, est « polluée » par des niveaux d’énergie correspondant à des défauts cristallins d’origines diverses. Les défauts les plus souvent étudiés sont créés par des lacunes d’ions ou par la présence d’ions en position interstitielle au sein de la maille cristalline, ce qui produit des centres pièges, également appelés centres colorés. Ces derniers correspondent à des niveaux d’énergie à l’intérieur de la bande interdite . Contrairement au Saphir pur, le Saphir dopé titane est fortement absorbant à 532 nm. Le dopage par les ions Titane 𝑇𝑖3+ est réalisé par apport d’oxyde de Titane 𝑇𝑖2𝑂3 au mélange fondu d’𝐴𝑙2𝑂3. Ainsi le dopage est considéré comme une insertion maîtrisée de défauts dans la maille cristalline (niveaux d’énergie intra-gap).
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Etude bibliographique sur l’oxyde de zinc et le saphir
I-1.Introduction
I-2.Etude sur l’oxyde de zinc
I-2-1.Propriétés cristallographiques
I-2-2.Propriétés optiques
I-2-3.Propriétés électriques
I-2-4.Les applications du ZnO en optoélectronique
I-3.Etude sur le saphir
I-3-1.Propriétés cristallographiques
I-3-2.Propriétés optiques
I-3-3.Saphir et ses applications
I-4.Methode de dépôt de couches minces
I-4-1.Croissance de l’oxyde de zinc
I-4-2.Technique de dépôt par épitaxie par jets moléculaires (MBE)
I-5.Conclusion
Chapitre II : Etude théorique sur le revêtement ZnO/saphir
II-1.Introduction
II-2.Etude théorique sur une couche antireflet
II-2-1.Réflexion, transmission et absorption
II-2-1-1.Réflexion
II-2-1-2.Transmission
II-2-1-3.Absorption
II-2-2.Condition de phase et d’amplitude
II-2-2-1.Condition de phase
II-2-2-2.Condition d’amplitude
II-3.Etude théorique sur une multicouche par la méthode matricielle
II-3-1.Principe
II-3-2.Réflexion et transmission pour une multicouche
II-3-3.Application sur une couche
II-4. Conclusion
Chapitre III : Résultats et discussions
III-1.Introduction
III-2. Coefficient de réflexion et de transmission
III-2-1. Coefficients de réflexion et de transmission du ZnO-nu
III-2-2.Etude comparative entre le coefficient de transmission du ZnO-nu et du saphir-nu en fonction de la longueur d’onde
III-3. Coefficients de réflexion et de transmission du ZnO/saphir
III-3-1. Coefficient de réflexion-transmission d’une couche de ZnO déposée sur le saphir
III-3-2. Influence de l’épaisseur de la couche sur la réflexion-transmission
III-4. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
