II.3.4. Caractérisation optique.
Comme déjà indiqué
précédemment, l'oxyde de zinc présente des
propriétés optiques intéressantes pour diverses
applications, en particulier en optoélectroniques.
L'étude des propriétés optiques des
échantillons permet de déterminer le seuil d'absorption optique,
le coefficient d'absorption, la largeur de la bande interdite, l'énergie
d'Urbach et l'indice de réfraction [114].
Les spectres de transmission ont été
enregistrés sur un spectrophotomètre UV-Vis de type UV-310
PC-SHIMADZU à double faisceau .Ce dernier est constitué de lampes
comme source lumineuse, de monochromateur pour sélectionner la longueur
d'onde et de détecteurs. Ce spectrophotomètre est
équipé d'un double faisceau qui permet de soustraire l'influence
du substrat et d'acquérir le spectre de transmission de la seule couche
étudiée. Le principe de fonctionnement de l'appareil de mesure
est représenté sur la figure II.14.
Figure II.14. Représentation
schématique du spectrophotomètre UV-Visible.
On a utilisé la méthode de Swanepoel [115] qui
permet la détermination des caractéristiques optiques à
partir du spectre de transmission enregistré dans le domaine de
l'ultraviolet et du visible. La mesure du spectre référentiel est
effectuée pour une lame de verre qui est transparente optiquement dans
la gamme spectrale considérée. La mesure proprement dite est
réalisé pour les échantillons constitues du film AZO et du
substrat en verre. La gamme spectrale s'étend de la longueur d'onde
ë = 200 à 800 nm avec une résolution de 5 nm. Les spectres
obtenus représentent la variation relative de la transmittance T optique
de la couche en fonction de la longueur d'onde ë.
Le graphique de la figure II.15 donne l'exemple d'un spectre de
transmission mesuré sur une couche d'oxyde de zinc déposée
sur un substrat en verre.
On définit Tmoy comme la valeur de la moyenne
de la transmission dans le domaine du visible (400 nm à 800 nm).
Tmoy est égale à 90 % dans le cas de la figure
II.15.
Figure II.15. Spectre de transmission optique d'une
couche d'oxyde de zinc déposée sur du verre.
A partir du spectre de transmission de la couche mince on peut
calculer les coefficients d'absorption á et d'extinction k du
matériau qui la constitue, en utilisant les deux relations suivantes
:
où d est l'épaisseur du film et T étant la
transmittance.
La détermination du gap optique Eg est basée sur le
modèle proposé par Tauc [118], où Eg est relié au
coefficient d'absorption par :
A est une constante reflétant le degré de
désordre de la structure solide amorphe, Eg est
exprimé en eV, hõ est l'énergie du photon en eV
(hõ = = .
En traçant en fonction de hõ, on peut
déterminer par extrapolation jusqu'à , la valeur du gap optique
Eg (figure II.16).
Un autre paramètre important qui caractérise le
désordre du matériau est l'énergie de queue d'Urbach.
D'après la loi d'Urbach l'expression du coefficient d'absorption est de
la forme [119]:
En traçant lná en fonction de hõ, on peut
accéder à la valeur de Eg (figure II.17).
(aM'f
1,40E+011
1,20E+011
1,00E+011
8,00E+010
6,00E+010
4,00E+010
2,00E+010
0,00E+000
1 2 3 4 5 6 7
-2,00E+010
hí(ev)
Figure II.16. Détermination du gap
d'énergie par extrapolation à partir de la variation de
(áhõ)2 en
fonction de hõ.
Figure II.17 : Détermination du
désordre par l'extrapolation à partir de la variation de ln
á en
fonction de hí.
Les constantes physiques utilisées dans les calculs sont
donn »es dans la figure III.19.
Figure II.18. Système d'une couche mince
absorbante sur un substrat transparent épais.
T est le coefficient de transmission, a est le coefficient
d'absorption du film, X est la longueur de la lumière incidente, n et s
sont les indices de réfraction du film et du substrat respectivement, d
représente l'épaisseur du film.
Dans le cas d'une couche épaisse et lisse, des
réflexions multiples de la lumière ont lieu entre la surface
inférieure en contact avec le substrat et la surface libre de la couche.
Il en résulte alors dans le spectre de transmission des franges
d'interférences avec des minima et des maxima en fonction de la longueur
d'onde. Soient X1 et X2 les longueurs d'onde de deux maxima consécutifs,
TM1 et TM2 les transmissions respectives, Tm la transmission du minima qui se
trouve entre les deux maxima (FigureIII.18). L'épaisseur de la couche
est déterminée à partir de la relation suivante [120,121]
:
Les indices de réfraction n1 et n2 de la couche pour les
longueurs d'onde X1 et X2 sont tirés de la relation :
S : indice de réfraction du substrat
et N1,2 peut être calculé à l'aide de la
relation :
Figure II.19. Franges d'interférence pour
optiques.
L'indice de réfraction des différents
échantillons a été déterminé tout d'abord
à partir de la valeur du gap optique. Afin de s'assure des valeurs de
l'indice de réfraction des films, on a utilisé la relation
suivante [122]:
n est indice de réfraction de la couche à analyser
et Eg son gap optique. Eg : gap optique
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