GENERALITE SUR L’OXYDE DE ZINC

Introduction Durant ces dernières décennies, les couches minces de ZnO ont suscité un grand intérêt, comme oxydes transparents conducteurs. Ceci est dû au compromis entre les propriétés optiques et électriques d’oxyde de zinc, sa stabilité thermique et chimique très élevées, sa non toxicité ainsi que son abondance dans la nature. De plus, il présente un gap de 3,3 eV et une énergie de liaison excitonique de 60 meV. Ces couches ont été utilisées dans plusieurs domaines électroniques, et optoélectroniques tels que : les fenêtres optiques dans les cellules solaires, des capteurs à gaz conducteurs et des barrières thermiques [2]. Elles sont aussi utilisées pour la fabrication des lasers émettant dans le bleu ou dans le proche d’ultraviolet [3]. Les couches de ZnO peuvent être élaborées par plusieurs techniques telles que : dépôt chimique en phase vapeur : dépôt par spray pyrolyse, dépôts physiques en phase vapeur : dépôt par pulvérisation cathodique par magnétron, dépôt par ablation laser, Epitaxie par jet moléculaire.

Propriétés générales de l’oxyde de zinc

Propriétés cristallographiques de ZnO

Du point de vue cristallographique le ZnO peut exister sous trois types de structures différentes selon les conditions d’élaboration.  La structure hexagonale(Wurtzite), stable dans les conditions normales  La structure cubique (blende), qui est instable, et qui apparaît sous des pressions élevées  La structure Rock-Salt qui apparaît sous des pressions très élevées L’oxyde de zinc appartient à la classe cristalline 6mm. Il se cristallise en un réseau hexagonal de type Wurtzite1 dans lequel les ions d’oxygène O2- sont disposés suivant un réseau de type hexagonal compact, et /où les ions de zinc Zn2+ occupent la moitié des positions interstitielles tétraédriques ayant le même arrangement que les ions d’oxygène (Voir Fig. II.1) . Le chapitre II est destiné à une étude théorique des propriétés optiques, électriques, structurales et cristallographiques de l’oxyde de zinc et des techniques de croissance des couches minces de ZnO. Après, une autre étude est consacrée sur le dépôt d’épitaxie sous jet moléculaire et de ses avantages. Chapitre II : généralité sur l’oxyde de zinc Khalidou SOKOMA /FST /UCAD /2013 Mémoire de MASTER II 16 Fig. II.1 Structure cristalline du ZnO.

Structure électronique de ZnO

Les structures de bande de l’oxygène et du zinc sont O: 1S² 2S² 2p Zn: 1S² 2S² 2p 3S² 3p 3d 4S² La bande de conduction est constituée principalement par l’orbitale 4s du zinc et la bande de valence par l’orbitale 2p de l’oxygène. La structure électronique de bande montre que le ZnO est un semi-conducteur à gap direct, le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence correspondent au même vecteur d’onde k. La largeur de la bande interdite est de l’ordre de 3,3eV. La figure II. 2 ci-dessous représente le diagramme de bande de ZnO de type wurtzite [10].  Figure II .2 : Diagramme de bande de la structure ZnO de type wurtzite. 

Propriétés électriques

L’oxyde de zinc est un semi-conducteur du groupe qui présente une bande interdite d’environ 3,3 eV, ce qui permet de le classer parmi les semi-conducteurs à large bande interdite. Cette valeur de bande interdite peut varier suivant le mode de préparation et le taux de dopage, entre 3,30 eV et 3,39 eV. Il est possible de modifier largement les propriétés d’oxyde de zinc par dopage :  soit en s’écartant de la stœchiométrie ZnO, principalement par l’introduction d’atomes de zinc en excès en position interstitielle ou par la création de lacunes d’oxygène (les centres créés se comportent alors comme des donneurs d’électrons).  soit en substituant des atomes de zinc ou d’oxygène du réseau par des atomes étrangers de valence différente (élément du groupe III,  F ,  Cl ). En pratique, on obtient uniquement par dopage une semi conductivité de type n. Les taux de dopage obtenus peuvent être très élevés (de l’ordre de 1020 atomes/cm3), permettant d’atteindre des résistivités très faibles (de l’ordre de 10-4 Ω.cm).