Etude de l’effet du type de séchage et de l’épaisseur sur les propriétés de couches minces de ZnO dopées 3% aluminium pour des applications en photonique et photovoltaïque
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L'objectif de cette thèse est d'étudier l’effet du procédé de séchage et de l’épaisseur sur les propriétés de films minces d’oxyde de zinc dopé 3% aluminium (AZO) préparés par le procède sol-gel sur des substrats en verre. Dans une première partie de ce travail, l'effet de deux procédés de séchage différents sur les propriétés structurales, morphologiques, électriques et optiques des films minces synthétisées a été investigué à l'aide de différentes techniques de caractérisation. Dans le premier procédé de séchage, la température est augmenté progressivement à un taux de 10°C/min jusqu’à 150°C. Alors que dans le deuxième procédé, la température est maintenue à 250°C. L'analyse par la diffraction des rayons X (DRX) a montré que tous les films cristallisent dans la structure hexagonale wurtzite. Il est constaté que le deuxième procédé de séchage donne des films de meilleure qualité cristalline avec une orientation préférentielle (002) plus élevée. Les images de la microscopie à force atomique (AFM) révèlent que la morphologie et la rugosité de surface dépendent du procédé de séchage. Les mesures par effet Hall montrent une concentration élevée de porteurs de 4,58×1021 cm-3 et une faible résistivité de 0,003 O.cm pour les films qui se sont révélés être dépendants du procédé de séchage. Les mesures UV-visible montrent que tous les films présentent une transmittance moyenne allant de 80 à 85% dans la région visible et que le gap optique est affecté par le procédé de séchage. Les spectres de photoluminescence (PL) montrent que l'émission des films minces AZO dépend fortement du procédé de séchage. Des émissions plus intenses sont observées dans les films séchés à 250°C. Les résultats obtenus confirment que la qualité cristalline et les propriétés de la PL des films AZO peuvent être améliorées par le type de séchage. Dans une deuxième partie, l'effet de l’épaisseur sur les propriétés physiques et de guidage optique des films minces AZO préparés par le deuxième procédé de séchage a été étudié. L'analyse DRX a montré que tous les films AZO présentent la structure cristalline hexagonale wurtzite avec une orientation de croissance préférentielle le long de l'axe c. L'intensité du pic de diffraction (002) et la taille des cristallites ont tendance à augmenter avec l'augmentation de l'épaisseur indiquant une amélioration de la cristallinité des films. De plus, l'observation du mode E2 haute fréquence dans les spectres Raman confirme la structure hexagonale wurtzite de ZnO des films. Les images par microscopie électronique à balayage (SEM) et AFM indiquent que les paramètres de microstructure tels que la taille des grains et la rugosité de surface dépendent de l'épaisseur du film. Il est constaté que la résistivité électrique et la concentration des porteurs augmentent et diminuent, respectivement, lorsque l'épaisseur du film augmente. Les spectres de transmission révèlent que tous les films présentent une transmittance moyenne élevée dans le domaine du visible. En outre, l'énergie du gap diminue avec l’augmentation de l'épaisseur du film. Les mesures par la spectroscopie des lignes de modes (MLS) à 632,8 nm ont mis en évidence que, dépendamment de l’épaisseur, les guides d'ondes élaborés sont soit monomodes ou multimodes pour les deux polarisations transverse électrique (TE) et transverse magnétique (TM). Les indices de réfraction TE et TM augmentent avec l'épaisseur et atteignent ensuite une valeur de saturation. De plus, le guide d'ondes optique AZO le plus épais démontre de faibles pertes de propagation inférieures à 1 dB/cm
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