ANALYSE DE QUELQUES SPECTRES D’EMISSION CORRESPONDANT A DES ECHANTILLONS DE ZnO

Dans ce chapitre, nous presentons un spectre de photoluminescence d’un echantillon de ZnO obtenu par la méthode d’épitaxie sous jets moléculaires (MBE). Nous identifierons d’abord les domaines d’energie des excitons libres, des excitons liés et des repliques phonons longitudinale optiques. Ces gammes d’energie seront comparer à celle indiqué dans la littérature, afin d’extraire toute les informations qui permettent une bonne analyse de notre spectre.

Analyse d’un spectre de ZnO obtenue par croissance MBE

L’étude expérimentale faite dans un échantillon de ZnO sur la variation de l’intensité de luminescence en fonction de l’énergie d’émission montre que : le spectre de photoluminescence présente des raies d’émissions comprises entre 2,9ev à 3 ,5eV correspondant essentiellement à des répliques phonons, des transitions excitonique libres ou liés. Par ailleurs nous pouvons diviser le spectre en trous gamme d’énergie. D’abord de 2,9eV à 3,18eV, on observe des raies d’émissions fines qui peuvent correspondre à l’émission des répliques phonons longitudinale. Ces derniers sont des quasis particules représentant un quantum d’énergie de vibration dans un cristal. Ce pendant, il existe deux types de phonons dans un solide : des phonons «acoustiques» et «optiques» ; ces différents types de phonons pouvant être longitudinaux ou transverses et sont facilement excités par les ondes lumineuses.

Ensuite de 3,18eV à 3,36eV, on observe deux raies d’émissions. L’une correspondant à un exciton lié à des défauts structuraux (Y) et l’autre correspondant à un exciton lié à un donneur (DX). Les recombinaisons des excitons liés sont dues à la présence des impuretés dans le matériau qui peuvent être des dopants, des défauts natifs ou des complexes qui forment des puits de potentiel sur les quels les excitons libres viennent se piéger. Les sites sur lesquels sont liés les excitons peuvent être des accepteurs ou des donneurs (AX, DX) ionisés ou non. L’énergie de recombinaison relatives aux excitons liés est donnée par: Avec EIX : est l’énergie de l’exciton lié, Eg: le gap du matériau, EB: l’énergie de liaison excitonique, n : le nombre quantique principal et Eloc : l’énergie de localisation de l’exciton sur le site .On parle aussi certaine fois d’énergie de dissociation car c’est l’énergie qu’il faut fournir pour arracher un exciton lié au site et en refaire un exciton libre. Typiquement, les raies relatives aux excitons liés sont fines et leur énergie est caractéristique au défaut sur lequel est lié l’exciton.

Enfin de 3,36eV à 3,5eV, on observe de nombreuses raies fines qui correspond à l’émission des transitions excitoniques libres. La recombinaison d’un exciton libre correspond à la recombinaison d’un exciton dans le matériau (appelé recombinaison intrinsèque du matériau). Le ZnO possède trois bandes de valence qu’on nomme habituellement: A (ou bande de trous lourds), B(ou bande de trou légers), C(ou l’éclatement des bandes dû au champ cristallin). Les transitons excitoniques libres relatives à ces bandes sont usuellement notées FXA, FXB et FXC [13]. L’énergie de ces transitions correspondant aux énergies propres de l’exciton libre est donné par : L’étude expérimentale faite sur un autre échantillon de ZnO après recuit sur la variation de l’intensité de luminescence en fonction de l’énergie d’émission montre que : le spectre de photoluminescence présente des raies d’émissions comprises entre 3,0eV à 3,5eV, correspondant à des répliques phonons et des transitions excitoniques, libres, liées. Par ailleurs, nous pouvons diviser le spectre en trois gammes d’énergie.

Comparaison des spectres de ZnO recuit et non recuit.

En comparant les spectres de la figure III.3. (a) et de la figure III.3. (b) nous constatons que ceux de la figure III.3 (b), c’est à dire le Spectre de photoluminescence à 10K d’une couche de ZnO après recuit, présentent des raies d’émissions plus visibles. Cela est dû au recuit qui diminue les impuretés du matériau et rend le spectre plus fin. Dans ce travail de mémoire nous avons étudié les propriétés d’un semi-conducteur, les processus de luminescence et les mécanismes de recombinaison. En effet, une bonne compréhension des processus physique impliqués demeure indispensable pour une exploitation optimale des propriétés optiques et électriques des semi-conducteurs. Parallèlement, une étude théorique sur les propriétés fondamentales du semi-conducteur ZnO a permis de comprendre l’influence de l’énergie du gap du matériau et de l’énergie de liaison excitonique dans les processus de luminescence des matériaux semi conducteurs à gap direct. Par ailleurs, l’identification des pics d’émissions des excitons libres ou liés et des répliques phonons dans le spectre de photoluminescence d’un échantillon de ZnO avec et/ou sans recuit nous a renseignés sur la qualité du matériau. En perspective on pourra faire une spectroscopie d’excitation et une réflexivité pour mieux asseoir l’assignation des pics d’émissions des excitons libres et des excitons liés. On pourra également faire plus de recuits pour étudier son influence sur les propriétés optoélectroniques des échantillons de ZnO.