Chapitre 3 : Elaboration et caractérisation des
couches de TiO2
Nous avons mesuré l'impédance (module et phase)
de nos couches minces de TiO2 déposées sur des substrats de verre
chauffés pour une gamme de fréquences comprises entre 5 Hz et 13
MHz.
Sorties ou réponses :
y(t)
Système inconnu de fonction de transfert H =
Y(t)/U(t) (une CM)
Entrées ou excitation : U(t)=Umax
sin(wt)
Action Mesure
Perturbations v(t)
Fig. 3. 27 Principe de modulation d'une CM
Le montage utilisé comprend une cellule à 2
bornes dont les électrodes sont constituées de deux fils de
cuivres très fins fixés à l'aide de la laque d'argent aux
extrémités de l'échantillon à mesurer (cf. Fig.
3.28). La laque d'argent est utilisée pour collecter les charges en
surface des échantillons.
e = 2 mm S = d*e
CM de TiO2
20 mm
l = 10 mm
l
R = (?*l) / S
d (nm)
15 mm
Laque d'argent
Fil de cuivre
E
Fig. 3. 28 Montage de mesure des impédances et
modèle simplifié
Les échantillons ont des épaisseurs variant de
114 à 183 nm et de dimension de (15x20) mm2. Ces mesures
permettent de mettre en évidence l'influence des zones intergranulaires
dans la conduction au sein des couches minces de dioxyde de titane.
Les spectres d'impédance des couches de TiO2 sur des
substrats de verre chauffés à différentes
température sont étudiés dans cette expérience
(voir Fig. 3.29 et 3.30). Nous constatons que les spectres montrent deux
demi-cercles à recouvrement partiel pour tous les échantillons
sauf celui à substrat chauffé à 300 °C qui
présente deux demi-cercles sans recouvrement.
ENIT 2009 79
ENIT 2009 80
Chapitre 3 : Elaboration et caractérisation des
couches de TiO2
Les intersections des demi-cercles avec l'axe des abscisses
permettent aussi d'accéder à la résistivité des
grains ñg aux basses fréquences et à celle des
joints de grain ñgb aux hautes fréquences.
Les lieux de Nyquist des différents spectres
d'impédance sont montrés dans les figures 3.29
et 3.30.
Re(Z) (106 ?)
-Im(Z) (105 ?)
TAmb 100°C 200°C 300°C
Fig. 3. 29 Diagramme de Nyquist des CMs de TiO2/verre
à TS : (a) Ambiante, (b) 100, (c) 200 et (d) 300
°C
Re(Z) (103 ?)
-I m(Z) (103 ?)
300°C
Fig. 3. 30 Spectre d'impédance d'une CM de
TiO2/Verre pour TS = 300 °C
ENIT 2009 81
Chapitre 3 : Elaboration et caractérisation des
couches de TiO2
Le tableau 3.9 ci-dessous représente les
résultats de calcul des propriétés électrique des
couches de dioxyde de titane pour différentes températures de
substrat avec :
ü R0, Rg, Rgb et RT représentent, respectivement,
la résistance de contact, des grains, des joints de grain et totale (ou
aussi à courant continu) des échantillons
étudiés.
ü ?0, ?g, ?gb et ?T représentent,
respectivement, la résistivité de contact, des grains, des joints
de grain et totale (ou aussi à courant continu) des échantillons
étudiés.
ü fg, fgb, Cg? Cgb??g et ?gb sont,
respectivement, les fréquences de relaxation, les capacités et
temps de réponse des grains et des joints de grain.
Tab. 3. 9 Calcul des propriétés
électriques des CMs de TiO2 pour différentes températures
de substrat
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Ts = 20 °C
|
Ts = 100 °C
|
Ts = 200 °C
|
Ts = 300 °C
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R0 (k?)
|
12.64
|
29.53
|
49.87
|
0.82
|
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Rg (M?)
|
3.32
|
2.50
|
0.55
|
0.01
|
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Rgb (M?)
|
1.81
|
3.24
|
3.09
|
0.11
|
|
?0 (10-4 ?.cm)
|
46.26
|
89.18
|
113.70
|
2.49
|
|
?g (10-2 ?.cm)
|
121.5
|
75.5
|
12.5
|
0.3
|
|
?gb (10-2 ?.cm)
|
66.2
|
97.8
|
70.5
|
3.3
|
|
fg = fHF (MHz)
|
1
|
1.3
|
5.6
|
5.6
|
|
Cg (pF)
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0.1
|
0.09
|
0.09
|
7.17
|
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fgb = fBF (Hz)
|
158.11
|
99.76
|
88.91
|
3971.64
|
|
Cgb (pF)
|
310.98
|
436.30
|
922.44
|
709.05
|
|
?g (ns)
|
174.75
|
127.47
|
28.08
|
28.35
|
|
?gb (ms)
|
1.00
|
1.60
|
1.79
|
0.04
|
|
RT (M?)
|
4.16
|
5.25
|
3.55
|
0.11
|
|
?T (10-2 ?.cm)
|
152
|
159
|
81
|
3.3
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On remarque que la résistivité des grains
décroît avec la température, par contre, la
résistivité des joints de grain devient de plus en plus
prédominante par rapport à celle des grains en augmentant la
température des substrats. En effet, les résistivités de
grain s'affaiblie alors que celles des zones intergranulaires s'approchent des
résistivités totales qui représentent aussi la
résistivité à courant continu.
Cette technique de mesure nous permet donc de confirmer que
les grains gouvernent majoritairement la conduction au sein des couches minces
de dioxyde de titane à substrat chauffé à des
températures supérieures ou égales à 200 °C.
Pour un dépôt à 300 °C, la couche est bien moins
résistive vu qu'elle est moins poreuse. Par conséquent, elle est
plus conductrice. De ce fait
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Chapitre 3 : Elaboration et caractérisation des couches
de TiO2
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l'impédance du système étudié
formé par la couche, la laque d'argent ou le contact et
l'électrode est plus faible.
Nous constatons aussi que l'effet capacitif des grains,
représenté par le demi-cercle des hautes fréquences, est
devenu de plus en plus négligeable en augmentant la température
de croissance.
Afin de confirmer l'évolution de la
résistivité des couches avec leurs porosités, nous avons
déterminé les différentes valeurs de la
résistivité totale ?T, qui représente aussi la
résistivité mesurée à courant continu, pour chaque
échantillon. La résistivité des couches
décroît en suivant la décroissance de la porosité
des couches en fonction de la température de substrat montrée par
les analyses AFM.
La spectroscopie d'impédance complexe permet, donc, de
confirmer que les zones granulaires gouvernent majoritairement la conduction au
sein des couches minces de dioxyde de titane à haute température
de substrat. En fait, Plus un dépôt est poreux, plus la section
entre les grains est grande, ce qui conduit à des
résistivités ?i plus grandes, c'est le cas des couches
déposées à température ambiante et 100 °C. La
résistivité des films augmente donc, pareillement à la
résistivité des zones intergranulaires, en fonction de la
porosité de la couche.
Par ailleurs, on remarque l'existence d'un petit arc inductif
à moyenne fréquence pour les températures ambiante, 100 et
200 °C qui s'affaibli jusqu'à sa disparition à Ts
= 300 °C. Cette inductance peut être considérée comme
une inductance parasite qui indique l'instabilité des couches et de
leurs porosités. En effet, un système électrique (dans
notre cas le système est formé par la couche mince, la laque
d'argent et l'électrode de cuivre) caractérisé par son
réponse harmonique (fréquentielle) ne peut être stable que
si sa fonction de transfert est à partie imaginaire négative. La
stabilité se traduit dans le lieu de Nyquist par le demi-plan
(-Im(Z)).
Concernant les temps de relaxation ou temps de réponse,
on remarque que, à la température ambiante, 100 et 200 °C,
les grains ont une réponse de moins en moins rapide et que les joints
des grains sont de plus en plus très rapide. Tandis que, à 300
°C, les grains et les joints des grains ont un temps de réponse
très rapide et de même ordre de grandeur.
ENIT 2009 82
ENIT 2009 83
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