Élaboration, caractérisation structurale et mesures électriques de matériaux oxynitrures semiconducteurs pour application comme capteurs chimiques de gaz

Preparation, structural study and electrical measurements of oxynitride semiconductirs for application as chemical gas sensors

• Auteur / Autrice : Xavier Cailleaux
• Direction : Odile Merdrignac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Rennes 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monoxyde de carbone

Semiconducteurs

Spectroscopie Raman

Nitrures

Détecteurs de produits chimiques

Résumé

Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont, dans un premier temps, été consacrés à la synthèse et à la caractérisation de matériaux (oxy)nitrures semiconducteurs : le nitrure de gallium (GaN), l’oxynitrure de gallium (GaON) et l’oxynitrure de zinc et germanium (ZnGeON). Ces matériaux ont été obtenus par nitruration d’oxydes précurseurs commerciaux, obtenus par des procédés de chimie douce ou par réaction à haute température. Une étude comparative par diffraction des rayons X et spectroscopie Raman sur GaON et GaN a permis de déterminer la structure de GaON, jusque là encore controversée. GaON, obtenu à partir de l’oxyde NiGa₂O₄, cristallise dans une variété cristallographique originale : la structure carborundum II, également appelée 6H-SiC. La technologie du dip coating, méthode de dépôt alternative à la sérigraphie, a permis l’obtention de capteurs chimiques à base de ZnGeON. Le comportement de capteurs ZnGeON dip coatés, d’une épaisseur de 35µm, a finalement été étudié vis-à-vis du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone. Les mesures électriques effectuées ont montré que les capteurs ZnGeON sont sensibles à ces gaz, à des concentrations de 100 ppm. Les propriétés de détection de ces capteurs sont intéressantes, particulièrement vis-à-vis du monoxyde de carbone pour lequel on observe une sensibilité très importante entre 150 et 200°C.

Gallium nitride (GaN), gallium oxynitride (GaON) and zinc and germanium oxynitride (ZnGeON) have been prepared by ammonolysis of various oxides precursors : commercial powder and precursors prepared by soft chemistry process or solid state reaction. These (oxy)nitride semiconductors have been prepared and then characterized. A comparative structural study has been carried out on GaN and GaON using XRD and Raman spectroscopy to determine GaON crystallographic structure. We found that GaON prepared from nickel gallate NiGa₂O₄ crystalises in a carborundum II structure (6H-SiC). Dip coating technology has been studied as an alternative to screen printing technology, and allowed the preparation of ZnGeON based chemical sensors. Dip coated ZnGeON sensors of 35 µm thickness have been studied for detection of carbon monoxide and carbon dioxide at a concentration of 100 ppm. Electrical characterizations showed that ZnGeON sensors have interesting detection properties, especially in the case of carbon monoxide where we observed a very high sensitivity between 150 and 200°C.