Pulsed laser deposition and characterization of chalcogenide thin films

par Gloria Oana Pompilian

Thèse de doctorat en Optique et Lasers, Physico-Chimie, Atmosphère

Sous la direction de Cristian Focsa.

  • Titre traduit

    Dépôt par ablation laser et caractérisation de couches minces de chalcogénures


  • Résumé

    Les chalcogénures sont des matériaux très prometteurs pour des applications dans divers domaines, comme l’enregistrement et la transmission des données, l’optique intégrée, les capteurs ou la médecine. Ceci est dû à leurs propriétés exceptionnelles, en termes de transparence dans l’infrarouge, effets photo-induits, grande solubilité pour les terres rares, ou contraste élevé des paramètres électriques et optiques lors d’un changement de phase. Pour beaucoup de ces applications, les chalcogénures doivent se présenter sous forme de couches minces. Une méthode efficace et flexible pour obtenir de telles couches est le dépôt par ablation laser (PLD).Dans cette thèse nous avons entrepris une étude systématique sur l’influence de divers paramètres, comme la longueur d’onde, la durée de l’impulsion ou la fluence du laser, la pression de dépôt et la distance cible-substrat, sur les propriétés des couches minces déposées. Deux familles de composés ont été étudiées : (GeTe)x(Sb2Te3)1-x (avec x = 0, 1/3, 1/2, 2/3, 1) et GaLaS (pur ou dopé avec des terres rares – Er et Pr). Une étude en spectroscopie optique d’émission a été également effectuée afin d’explorer la dynamique et l’énergétique du plasma créé par ablation laser. Les propriétés des couches minces ont été caractérisées par microscopie optique et électronique, profilométrie, diffraction de rayons X, spectroscopie Raman, ellipsométrie etc. Les principaux résultats indiquent de meilleures propriétés pour les couches déposées à faible longueur d’onde, courte durée d’impulsion et fluence modérée. Ils ouvrent la voie vers l’optimisation du processus PLD pour la croissance de couches minces de chalcogénures de manière contrôlée.


  • Résumé

    Chalcogenides are among the most promising materials for applications in various fields, like data storage and transmission, integrated optics, bio- and chemical-sensing, or medicine. This is due to their outstanding properties, in terms of wide infrared transparency, photo-induced effects, high rare-earth solubility or high contrast in electrical and optical parameters upon phase transformation. For many of these applications, processing of chalcogenides in form of thin films with required chemical composition and appropriate physical properties is necessary. Pulsed Laser Deposition (PLD) is one of the most efficient and flexible methods for the preparation of such multicomponent layers.In this thesis we performed a systematic study on the influence of various PLD parameters, like laser wavelength, pulse duration and fluence, background pressure and target-substrate distance, on the properties of deposited thin films. Two families of chalcogenide compounds were explored: (GeTe)x(Sb2Te3)1-x (with x = 0, 1/3, 1/2, 2/3, 1) and GaLaS (pure or doped with Er and Pr rare earths). Additionally, a time- and space-resolved optical emission spectroscopy study was performed in order to characterize the dynamics and energetics of the laser ablation plasma plume. The properties of the thin films were investigated by specific methods, as optical and electronic microscopy, profilometry, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, ellipsometry etc. The main results indicate better properties for samples deposited at lower wavelength, short pulse duration and moderate fluence. They open the way for the optimization of the PLD process for chalcogenide thin film growth in a controlled manner.


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