Soutenance mémoire
Le présent travail développé dans le cadre de la préparation de cette thèse de doctorat s’inscrit dans la thématique de la physique des surfaces solides semi-conductrices et de l’étude de leurs propriétés physicochimiques pour des applications comme la détection de gaz ou la conversion photovoltaïque. Dans le domaine de la détection de gaz, les études menées par les chercheurs travaillant sur cet axe montrent que les oxydes de métaux sont très prometteurs et se distinguent par leur stabilité dans le milieu ambiant, une conductance moyenne les caractérisant comme semi-conducteurs à large bande interdite, la possibilité de leur préparation par différentes techniques, leur traitement sous différentes conditions et présentent des états de surface sensibles à différents éléments étrangers.
Structure cristalline
L’oxyde de zinc est un semiconducteur cristallisant dans un réseau de symétrie hexagonale [3-4-5]. Cette propriété a pu être déterminée dès la fin du 19ème siècle à partir du faisceau des normales des surfaces de cristaux naturels de zincite (figure I.1). En effet, la figure obtenue après projection stéréographique de l’ensemble des normales des faces est compatible avec la symétrie d’un hexagone régulier de longueur a et de grand axe (l’axe de symétrie 6, orthogonal au plan de l’hexagone) de longueur c.
Ecarts a la stœchiométrie
Les mesures aux rayons X effectuées par Faivre [14] sur des poudres d’oxyde de zinc ont montré que le traitement thermique de ce produit, suivi d’une trempe, pouvait entraîner des écarts notables à la stœchiométrie, soit sous forme de lacunes d’oxygène, hypothèse la plus généralement admise [5,15, 16], soit sous forme d’excès de zinc, celui-ci pouvant occuper diverses positions. Le zinc en excès peut provenir d’un traitement réducteur ou d’une dissociation thermique. Le recuit en atmosphère d’oxygène d’un oxyde traité thermiquement tend à rétablir au contraire la stœchiométrie sans toute fois permettre de l’atteindre [3,14, 16]. Le nombre d’atomes injectés est fonction directe de la pression de gaz pendant le recuit [3].
Propriétés optiques du ZnO
L’oxyde de zinc est un matériau transparent dans le domaine du visible grâce à son large gap, ce qui lui permet d’être classé parmi les oxydes transparents conducteurs TCO (transparent conductive oxide) lorsqu’il est dopé.
Les propriétés optiques des couches minces dépendent fortement de la méthode d’élaboration, la qualité des couches, le traitement thermique appliqué, le type et la concentration du dopant. Par exemple, un dopage des couches minces de ZnO à l’aluminium donne lieu à un décalage du gap optique lorsque la concentration du dopant augmente. M. Sahal et al [18] ont montré que le gap augmente de 3.22 eV pour des couches de ZnO non dopées à 3.44 eV pour celles dopées par l’Al à une concentration de 3%.
Le ZnO fait partie de la famille des oxydes semi-conducteurs transparents et présente une forte absorption et diffusion des rayonnements ultra violets. L’oxyde de zinc est un matériau transparent dont l’indice de réfraction est égal à 2 [19]. Sous forme de couche mince, l’indice de réfraction et le coefficient d’absorption varient en fonction des conditions d’élaboration. L’indice de réfraction du ZnO en couche mince vari entre 1,90 et 2,20 [20]. Sous l’action d’un faisceau lumineux de haute énergie (E > 3,4 eV) ou d’un bombardement d’électrons, l’oxyde de zinc émet des photons. En ce qui concerne la transmission des films de ZnO, elle est en moyenne supérieure à 80% dans le visible et sensiblement indépendante de l’épaisseur . Par ailleurs, à partir de la transmission, nous avons calculé l’absorption pour en déduire le gap optique (Eg).
Propriétés catalytiques du ZnO
La capacité d’une substance d’être un catalyseur dans un système spécifique dépend de sa nature chimique et de ses propriétés de surface. L’efficacité de l’oxyde de zinc dépend de son mode de préparation. Elle est essentiellement due au degré de perfection du réseau cristallin, et aux propriétés semi-conductrices (lacunes, atomes en positions interstitiels,…) [21].
L’oxyde de zinc possède aussi des propriétés catalytiques, notamment avec des réactions d’oxydation et de déshydrogénation. En particulier, ses poudres en suspension dans l’eau sont un catalyseur pour les réactions de l’oxydation de l’oxygène en ozone, de l’oxydation de l’ammoniaque en nitrate, de la réduction du bleu de méthylène, la synthèse du peroxyde d’hydrogène [22], et aussi de l’oxydation des phénols [23]. Ces propriétés catalytiques dépendent essentiellement du degré de perfectionnement de son réseau cristallin qui agit sur son énergie de surface, et du dopage du semi-conducteur [24]. Des travaux plus récents étudient de nouvelles mises en forme de ZnO pour les applications comme catalyseurs ou capteurs avec de bonnes propriétés chimiques. Un nouveau matériau poreux a été obtenu à basse température dans un réacteur à cavitation acoustique à partir de Zn (OH2). Le processus est basé sur le déclenchement de la réaction entre NH3 et Zn (OH2) par activation ultrasonique en milieu aqueux [25].
Propriétés électromécaniques du ZnO
L’oxyde de zinc appartient à la classe des matériaux piézoélectriques. La piézoélectricité du ZnO tire son origine de sa structure cristalline. Cette dernière appartient au groupe de symétrie P63mc qui ne présente pas de centre de symétrie. Dans ce cas, les barycentres des charges positives et négatives de sa maille élémentaire ne se superposent pas. Un dipôle électrique apparait ainsi à l’intérieur du cristal et il est modulable par l’application d’une contrainte mécanique (effet piézoélectrique direct). L’interaction de ce dipôle électrique avec un champ électrique extérieur peut aussi déformer le cristal (effet piézoélectrique inverse).
|
Table des matières
I)INTRODUCTION
II) GENERALITES
III) METHODOLOGIE
IV) RESULTATS
V) COMMENTAIRES ET DISCUSSION
VI) CONCLUSION
VII) REFERENCES
ANNEXES
RESUME
