Les propriétés de l’Oxyde de Zinc

Présentation du matériau

L’oxyde de zinc est un semi-conducteur qui présente des propriétés très intéressantes. A l’état naturel, il est de couleur rouge rubis et se trouve abondamment dans les minerais, tandis que celui préparé artificiellement est incolore ou blanc. C’est un matériau abondant sur terre et non toxique. Il est insoluble dans l’eau mais soluble dans les acides et les alcools. Il est très convoité de par ses propriétés intéressantes. Ses multiples avantages font de lui un matériau qui rivalise avec les autres oxydes régnant sur le marché de l’optoélectronique.

L’oxyde de zinc est vu comme un concurrent direct du nitrure de galium (GaN), matériau avec lequel il partage de nombreuses propriétés tant structurales qu’électronique. L’atout fondamental de l’oxyde de zinc tient en sa très grande énergie de liaison excitonique (60 meV) lui conférant potentiellement de bonnes capacités d’émission lumineuse à température ambiante, la transparence dans le visible, et la possibilité de produire des films minces conducteurs En tant qu’oxyde, il présente certains avantages comme le fait d’être ni combustible ni explosif en cas d’incendie, ou bien d’être inerte vis-à-vis de l’organisme humain. L’oxyde de zinc est l’un des rares matériaux multifonctionnels. Des progrès considérables ont été enregistrés sur ce matériau : maîtrise de l’épitaxie par la réalisation d’alliages Zn – Oxyde métallique, d’hétéro structures quantiques, réalisation de gaz bidimensionnels d’électrons à l’interface ZnO/ZnMgO. De plus, dans le monde très actif des nanosciences, l’oxyde de zinc se révèle un matériau de choix. Sa gravure humide est réalisable avec pratiquement n’importe quel acide peu concentré, ce qui facilite sa nano structuration et tout ceci grâce aux multiples propriétés du matériau qui sont connues et que nous allons présenter dans la suite.  Figure I- 1: Représentation des structures cristallines de l’oxyde de zinc : (a) cubique rocksalt, (b) cubique zinc blende, (c) wurtzite hexagonale Les sphères noires représentent les atomes d’oxygène et les sphères grises représentent les atomes de zinc. L’oxyde de zinc peut se cristalliser selon deux symétries cubiques : la halite ou B1 (Rocksalt), la sphalérite ou B3 (Blende)

Propriétés structurales

L’oxyde de zinc est un semi-conducteur qui se cristallise sous trois formes, cubique, rocksalt et hexagonale wurtzite. Un monocristal idéal de zinc est constitué d’atomes de zinc (Zn) et d’oxygène (O) liés de façon covalente, c’est-à-dire que les atomes de zinc et d’oxygène mettent leurs électrons en commun afin de remplir leurs couches électroniques respectives, jusqu’à une configuration plus favorable. Cependant, en raison de la forte électronégativité de l’oxygène qui attire les électrons du zinc, la liaison Zn – O revêt un caractère partiellement ionique c’est-à-dire polaire. La figure I-1 présente les différentes structures dans lesquelles se cristallise l’oxyde de zinc.[1] M

La structure halite ou Rocksalt

La structure halite ou Rocksalt ou structure de NaCl (chlorure de sodium) est métastable et ne peut être obtenue qu’à haute pression. Lorsque la pression augmente la structure wurtzite devient rapidement instable à cause de son anisotropie et autour de 10 Gpa à température ambiante (Room Temperature) Bates et al. (1962) [2], il se produit une transition de la phase wurtzite à la phase NaCl, cristallisée en cubique face centrée. En effet le caractère ionique de la liaison Zn–O va être renforcé par la réduction des paramètres du réseau. Les atomes de zinc et d’oxygène vont former deux sous réseaux cubiques à faces centrées, séparés par le paramètre du réseau a. Chaque atome va dans ce cas posséder six voisins contre quatre dans le cas du tétraèdre des symétries würtzite et blende de zinc.

La structure blende

La structure Blende ne peut être obtenue qu’à partir d’une croissance par hétéro épitaxie sur substrat cubique [3] d’où son caractère métastable. La structure blende de zinc correspond à deux sous-réseaux cubiques à face centrées, comportant chacun un type d’atome, décalés d’un quart par rapport à la diagonale principale de la maille. Le paramètre de maille a correspond à la longueur d’une arête du cube. c) La structure wurtzite La structure wurtzite contient deux atomes de zinc par maille. En 1970, les travaux de REEBER montrent que les paramètres de maille de l’oxyde de zinc peuvent varier selon la température [4]. Les paramètres de maille de l’oxyde de zinc ont été déterminés par différentes méthodes comme la diffraction des rayons X. Dans une structure sans défauts, les paramètres de maille sont a = 3.2499 Å et c = 5,2066 Å [5]. De plus les atomes de zinc et d’oxygène n’occupent que 40% du volume du cristal, laissant des espaces vides de 0,95Å de rayon. Ainsi d’autres atomes, éléments peuvent se loger dans ces lacunes par dopage. Cette caractéristique permet d’expliquer certaines propriétés particulières de l’oxyde, liées aux phénomènes de semiconductivité, de photoconductivité, de luminescence, ainsi que les propriétés catalytiques et chimiques du solide [6]. Cette caractéristique de la liaison Zn –