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

Comme il a déjà été indiqué dans le premier chapitre I, l'oxyde de zinc présente des propriétés optiques intéressantes en raison de ses nombreuses applications technologiques. On rappelle que les principales grandeurs optiques sont le coefficient d'absorption, le gap optique et l'indice de réfraction. L'étude porte sur les couches déposées sur des substrats de verre en considérant l'influence du dopage en aluminium. La transmission optique dans le domaine spectral UV-visible constitue une caractéristique importante permettant d'évaluer la qualité des couches déposées. Elle doit être maximale dans le visible.

Tous les films ont montré une transmission moyenne de 75% dans la région visible du spectre (figure III.30). Un déplacement vers le bleu est remarquable à la limite d'absorption de ZnO avec l'augmentation du taux de dopage en aluminium dans les films, ce qui même à un accroissement de la largeur de la fenêtre de transmission optique.

Figure III.30. Spectres de transmission optique des films ZnO et AZO déposées sur du verre.

Bien que l'allure générale des spectres soit identique, ceux-ci sont composés de deux régions:

> Une région de forte transparence située entre 400 et 800 nm, la valeur de la transmission est de l'ordre de 70 à 83% suivant le type d'échantillon. Cette valeur, rapportée par plusieurs auteurs [135], confère aux couches minces ZnO et AZO, le caractère de transparence dans le visible.

> Une région de forte absorption correspond à l'absorption fondamentale (ë<400 nm) dans les films. Cette absorption est due à la transition électronique inter bande. La variation de

la transmission dans cette région est exploitée pour la détermination du gap. D'autre part, on observe, avec l'augmentation de pourcentage du dopage Al, un décalage du seuil d'absorption vers les grandes énergies. Ce décalage est dû à l'accroissement de la concentration des porteurs libres dans le matériau [136]. Le décalage dans le seuil d'absorption est aussi égal à la variation du gap ÄE_g, exprimée par la relation suivante [137]:

où h, m* et n sont respectivement la constante de Planck, la masse effective et la concentration des électrons libres.

Cette relation montre que la variation du gap est due principalement à la concentration des électrons libres. Par conséquent, les films préparés avec différents pourcentage du dopage aluminium renferment une concentration élevée d'électrons libres [138].

A partir du spectre de transmission d'une couche, on peut calculer le coefficient d'absorption et le gap optique du matériau qui la constitue en utilisant les deux relations citées au paragraphe II.4.4.3 du chapitre II.

A partir des représentations graphiques utilisant les valeurs du gap optique déduites à partir des courbes de la figure III.31, les énergies de bande interdite déterminées à partir des spectres de transmission pour les couches minces déposées sur de verre sont 3.23 pour ZnO et 3.36 eV pour les couches ZnO dopé à aluminium (3 et 5 %at). Les valeurs obtenues sont proches de la valeur rapportée sur ZnO pur (3.37 eV) [139]. Quand le dopage Al croît, la variation est attribuée au décalage de Burstein-Mouss [129,140]. Le gap des films augmente avec l'ajout d'aluminium [141, 139].

De plus, il a été rapporté dans la littérature que des films plus épais admettent toujours des valeurs de gap plus faibles comparées aux couches plus minces [142].

Figure III.31. Courbe (áhõ)² en fonction de hõ pour des films ZnO et AZO sur du verre.

Les indices de réfraction des films minces ZnO et AZO et déposés par la technique de l'ablation laser sur du verre sont calculés à partir des valeurs du gap optique et ils sont donnés sur le tableau III.12. L'indice de réfraction diminue avec la concentration du dopage d'aluminium et varie de 2,34 pour ZnO pur à 2,31 pour AZO. Ces données sont en général en bon accord avec de la littérature [143].

Tableau III.12. Indices de réfraction des films minces ZnO et AZO déposés sur des substrats du verre.

Couche mince	ZnO/Verre	AZO3/Verre	AZO5/Verre
Indice de réfraction	2.34	2.31	2.31

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

III.4. Caractérisation optique.