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Réalisation d'un capteur de gaz MOX

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par Mansour BENDIMERAD
Université des Sciences et de la Technologie d'Oran - Magister en Physique 2009
  

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I.6 l'oxyde de zinc (ZnO)

I.6.1 Propriété de l'oxyde de zinc (ZnO)

L'oxyde de zinc, appelé blanc de zinc ou blanc de neige, est une poudre blanche préparée par combustion de la vapeur de zinc. Elle est employée comme pigment dans les peintures, et comme charge dans les pneus en caoutchouc L17].

Les couches minces d'oxydes sont transparentes dans le visible, réflectives dans l'IR et bonnes conductrices, ont connues depuis quelques années un développement important, notamment a cause de leur propriété électrique et optique particulière. Et parmi ces oxydes nous citerons l'oxyde zinc qui à prouvé depuis plusieurs années sa parfaite adaptation aux différentes caractéristiques cité ci-dessus L18]. Donc très approprié pour des applications dans différents domaines t'elle que l'électronique, l'optoélectronique, la conversion photovoltaïque et les capteurs de gaz MOX.

I.6.2 Structure cristalline du ZnO

Le ZnO est un semiconducteur de la famille II-VI, il se compose de Zinc (Zn) et d'Oxygène (O). Il se cristallise sous trois formes, cubique, rocksalt et hexagonale wurtzite (figure I.16) L19].

La structure de ZnO la plus stable thermodynamiquement est hexagonal wurtzite L20]L21]. Elle cristallise selon la structure hexagonale compacte, ou Chaque atome de zinc est entouré de quatre atomes d'oxygène situés aux sommets d'un tétraèdre (figure I.16. (b)).

Cette disposition est caractéristique des liaisons covalentes de type sp3, mais ZnO a aussi à 50% un caractère ionique. Les paramètres de maille de ZnO Würtzite sont a = 3.2495A, c = 5.2069A, et c/a = 1.6022 L22].

Le ZnO peut aussi avoir une structure Rocksalt (NaCl) sous une pression hydrostatique (p = 10GPa) avec réduction de la maille en faveur des interactions coulombiennes L17], et une structure zinc-blende métastable par hétéroépitaxie par jet moléculaire (MBE) sur des substrats cubiques tels que : ZnS, GaAs/ZnS, et Pt/TiSiO2.

Chapitre I Les capteurs de gaz (chimiques)

b)

C

d

a)

c) d)

Figure I.16. Différentes structures de l'oxyde de zinc. A) hexagonal compact de type wurtzite, b) maille conventionnelle de la structure wurtzite, c) structure zinc blende et d) structure rocksalt.

I.6.3 Structure Electronique du ZnO

On rappelle que les structures électroniques de bande de l'oxygène et du zinc sont :

O: 1s2 2s2 2p4

Zn: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2

Figure I.17. Structure de bande de ZnO en utilisant la méthode du pseudo potentiel L22].

Les états 2p de l'oxygène forment la bande de valence et les états 4s du zinc constituent la zone de conduction du semi-conducteur du ZnO.

La figure I.17 illustre l'allure de la structure de bande du ZnO de type wurtzite.

Il existe en réalité six bandes résultantes des états 2p de l'oxygène, et les plus bas des bandes de conduction ont une forte contribution des états 4s du Zinc.

La structure électronique de bandes montre que le ZnO est un semi-conducteur à gap direct, le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence sont situés au point . La largeur de la bande interdite est de l'ordre de 3,3 eV L22].

Tableau I.2. Propriétés générales de l'oxyde de zinc en couche mince L19].

Propriétés

valeurs

Paramètre du réseau à 300°K
a0 (nm)
c0 (nm)
a0/c0

0,32495
0,52069
1.602 (structure idéale)

Densité (Kg/m3)

5606

Phase stable à 300°K

Wurtzite

Point de fusion (°C)

1975

Conductivité thermique

0.6 - 1.2 W cm-1 °K-1

L'énergie de Gap (eV)

3.0 -3.3

Concentration d'électron intrinsèque (/cm3)

type n : >1020 électrons ;
intrinsèque : 106 électrons ;
type p : < 1017 trous.

L'énergie de liaison d'exciton (meV)

60

Masse effective de l'électron

0.24

Masse effective du trou

0.59

Mobilité de Hall des électrons à 300°K

200 cm2/V/s

Mobilité de Hall des trous à 300°K

5 - 50 cm2/V/s

Valence

2

Résistivité intrinsèque à 300°K (Ù cm)

1010

Dopants type n

Ga , Al, , In,

Résistivité type n (Ù cm)

10-4 10-1

Dopants type p

Li, Cu, N

Résistivité type p (Ù cm)

106 - 1012

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"Il faudrait pour le bonheur des états que les philosophes fussent roi ou que les rois fussent philosophes"   Platon