Etude de l’effet des paramètres de synthèse et de la nature du dopant sur l’orientation de la croissance et les propriétés physiques des films minces et des nanoparticules de ZnO

Abstract

Ce travail de thèse porte sur la synthèse par sol-gel et la caractérisation de l’oxyde de zinc sous forme de nanoparticule et de couche mince sur des substrats de verre et de silicium. Il s’agit d’étudier l’impact des différents paramètres de synthèse tels que: la concentration du précurseur, température de recuit, nature du solvant, rapport molaire du stabilisant [MEA/Zn], dopage (Li+, Na+, Ag+, Cs+, Ni2+, Cu2+, Fe2+ et Al3+), le flux de NaOH et la température de synthèse sur l’orientation de la croissance, les propriétés structurales, morphologiques et optiques et ce, par le biais de diverses techniques de caractérisation. L’étude de la concentration du précurseur et de la température de recuit a révélé que 0.5 M (pour substrat en verre), 1M (pour substrat en silicium) et 500 °C sont respectivement les concentrations de précurseur et la température de recuit optimales pour la production des films ZnO ayant de meilleures propriétés structurales et optiques. Les résultats expérimentaux ont montré qu’il est possible de contrôler l'axe de croissance préférentiel des couches minces de ZnO en faisant varier la nature du solvant et le rapport molaire du stabilisant. En outre, les spectres de transmittance UV visible indiquent que les films ayant une orientation préférentielle sont hautement transparents (plus de 80 %) dans la région visible. En revanche, l’étude expérimentale détaillée sur le dopage des couches minces de ZnO a révélé que les propriétés structurales et optiques de ces couches dépendent énormément de la valence, de l’électronégativité, du rayon ionique et de la concentration du dopant. Nous avons également montré, en étudiant l'influence du flux de NaOH et de la température de synthèse sur les propriétés de photoluminescence des NPs de ZnO, que les spectres PL excités à 280 nm présentent une émission UV centrée à environ 380 nm avec un léger shift optique dépendant de la variation de ces deux paramètres. Dans ce cadre, en se focalisant sur la région visible (de 400 à 650 nm), nous avons pu montrer que l'augmentation de la température de synthèse affecte significativement le type de défauts interstitiels (Oi, Zni et VoZni) formés dans les nanostructures ZnO. Cependant, la déconvolution de large émission issue de l’excitation à 320 nm, a révélé la présence de deux niveaux profonds. L'origine de ces deux niveaux a été expliquée en se basant sur un modèle de double barrière de Schottky de joints de grains