Memoire Online - Contribution à l'étude structurale et microstructurale de films ZnO obtenus par ablation laser

Sur la figure III.5, on a présenté les diffractogrammes des couches d'oxyde de zinc, non dopé ZnO et dopés aluminium AZO, déposées sur des substrats de Si(100). En plus des raies Si(200) et Si(400), deux enregistrés pour des angles de diffraction 2è coïncidant avec 34,5 et 72,8° qui correspondent aux plans (002) et (004) de la structure hexagonal wurtzite. Les couches AZO présentent une croissance préférentielle suivant l'axe C. On remarque également que l'intensité du pic (002) diminue avec le dopage 5% atomique aluminium, mais elle subit une forte augmentation dans le cas du dopage 3%. Aucun pic lié à Al ou _Al2O3 n'est observé dans les couches AZO, comme indiqué dans les films minces déposés sur du verre. A partir de ces diagrammes de diffraction, on peut conclure que l'incorporation de l'aluminium comme élément dopant n'affecte pas le réseau de l'oxyde de zinc ZnO.

Les raies de diffraction les plus intenses (2è~34°) des spectres DRX sont associées au plan (002), ce qui dénote d'une forte orientation suivant l'axe c avec une structure hexagonale wurtzite. Pour ZnO pur, le pic apparaît à 34.54°. Pour les échantillons AZO dopés 3 et 5% atomique les pics se positionnent à 34.58° et 34.50° respectivement.

Le pic relatif au film AZO3 est déplacé vers les grandes valeurs de è, ce qui conduit à une diminution du paramètre c. Cette diminution du paramètre de réseau est directement liée a l'incorporation des ions Al⁺³ dans des sites substitutionnels de Zn⁺² [127, 129, 133]. L'incorporation du dopant dans la matrice ZnO conduite donc à une contraction du réseau.

Cependant, le pic (002) de la couche AZO5 est déplacé vers les faibles valeurs de l'angle de diffraction, ce qui correspond à une augmentation du paramètre c. Cette augmentation du paramètre de réseau peut être expliquée probablement par l'incorporation des ions Al⁺³ dans les sites interstitiels au sein du réseau ZnO [134].

La diminution ou l'augmentation du paramètre c de la maille peut également être liée aux effets des contraintes qui ont pour la différence dans les du coefficients de dilatation thermique du film á (ZnO) (7.10^-6 °C^-1) et du substrat á (Si(100)) (2.6×10^-6 °C^-1).

Les valeurs déduite à partir de la DRX du paramètre c de la maille, des films d'oxyde non dopé (ZnO) et dopé Al (AZO) varient entre 0.5188 et 0.5199 nm. Le tableau III.2 regroupé, en plus de ces valeurs, les données relatives à la taille des grains, les contraintes et les angles de diffraction de la raie (002) des mêmes échantillons.

En se référant aux résultats de l'étude obtenus pour les échantillons formés du film sur du verre et présentés précédemment, il ressort que, même dans le cas du substrat de silicium monocristallin Si(100), le dopage en aluminium (AZO) altère la qualité cristalline des films et abaisse la taille des grains des cristallites. Les valeurs calculées de cette dernière décroissent de 38 à 26 nm quand on passa de l'oxyde de zinc pur (ZnO) à l'oxyde dopé 5 %at. Al (AZO5).

Figure III.5. Spectres de diffraction des rayons X (è-2è) des couches minces ZnO et AZO déposés
su un substrat Si(100).

Tableau III.2. Variation des paramètres de réseau des films minces ZnO et AZO déposés sur un substrat Si(100)

couches	2è (°)	Taille des grains (nm)	Distance inter réticulaire (nm)	Contrainte (GPa)	Paramètre de la maille c (nm)
ZnO	34.54	38	0.2597	+0.4920	0.5194
3 %at. Al: ZnO	34.58	32	0.2594	+0.7603	0.5188
5 %at. Al: ZnO	34.50	26	0.2600	+0.2684	0.5199

La variation de la taille des grains des films AZO déposés sur Si(100) en fonction de la teneur du dopage en aluminium est représentée sur la figure III.6. On remarque à l'évidence que la taille des grains diminution avec le dopage d'aluminium.

La couche mince non dopée ZnO est caractérisée par des grains plus gros et elle présente une meilleure cristallinité par rapport aux autres couches dopées à l'aluminium.

Figure III.6. Variation de la taille des grains des couches minces ZnO et AZO déposée sur Si(100) en
fonction du taux de dopage en aluminium.

La variation de la contrainte en fonction du dopage d'aluminium est tracée sur la figure III.7.

Les valeurs des contraintes trouvées sont situées entre (+0,2684) GPa et (+0,7603) GPa. La présence des contraintes extensives est due principalement à l'insertion d'atomes étrangers dans le réseau cristallin.

Figure III.7. Variation des contraintes dans les couches minces ZnO et AZO déposées sur Si(100) en
fonction du taux du dopage en aluminium.

Contribution à l'étude structurale et microstructurale de films ZnO obtenus par ablation laser

III.2.1.2. Substrat de silicium Si(100)