Origin , location and transport of excess electrons in titanium dioxide

par Jingfeng Li

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jacques Jupille et de Rémi Lazzari.

Soutenue le 20-10-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut des Nanosciences de Paris / INSP (laboratoire) .

Le jury était composé de Paul Dumas, Jean-Marc Layet, Abhay Shukla, Geoff Thornton.

  • Titre traduit

    Origine, localisation et transport d'électrons en excès dans le dioxyde de titane


  • Résumé

    Les nombreuses applications du dioxyde de titane TiO2 sont depuis longtemps l’objet d’un intense effort de recherche. En particulier, TiO2 peut potentiellement jouer un rôle clé dans les industries vertes et les sources d’énergie renouvelables. Chimiquement inerte à l’état stœchiométrique, ses applications s’appuient principalement sur la forme réduite TiO2-x, dont les propriétés sont liées aux lacunes d’oxygène (Ovac) et aux atomes de titane interstitiels (Tiint) à travers lesquels le changement de stœchiométrie s’opère. La réduction de l’oxyde, qui transforme formellement Ti4+ en Ti3+, génère des électrons en excès qui, peuplant des états Ti 3d dans la bande interdite (BGS), sont au centre de l’activité chimique de TiO2 et à l’origine de sa conductivité de type n. Le présent travail a porté sur trois questions centrales qui restent pendantes à ce jour, le rôle respectif de Ovac et Tiint dans la formation des BGS, l’apparente contradiction entre la conductivité de type n de l’oxyde et le caractère de donneur profond des BGS et la nature du transport électronique dans l’oxyde. L’origine, la localisation et le transport des charges en excès ont été explorés dans le cas du rutile TiO2(110)-(1×1) par mesures HREELS (High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy) combinées à des simulations diélectriques. Des approches expérimentales et des traitements d’échantillon spécifiques ont été utilisés, dont (a) le chauffage de la surface entre 400 et 900 K par exposition à un filament et la détermination de la température au moyen du rapport de Bose-Einstein entre pertes et gains, (b) le refroidissement à 100 K, (c) les mesures hors-spéculaires, (d) le bombardement électronique pour ne produire que des lacunes d’oxygène et (e) l’exposition soit à l’oxygène soit à la vapeur d’eau à différentes températures. Les BGS ont été directement mis en évidence dans des conditions dans lesquelles soit Ovac soit Tiint était l’unique type de défauts de surface. Un profil schématique de la densité des électrons en excès au travers des couches de surface de TiO2(110) a été proposé et amélioré au cours du travail avec, en particulier, au moyen de la modélisation des données qui suggère leur présence en sous-surface.Les excitations de l’état solide ont été modélisées par une approche diélectrique des profils de spectres HREELS. Les BGS et la conductivité ont été représentés de manière respective par un oscillateur et un terme de Drude. Mais, alors que les BGS forment une structure définie dans la bande interdite, la signature des porteurs est moins évidente. A la différence, par exemple de l’oxyde de zinc, les valeurs élevées de la fonction diélectrique statique et de la masse effective des porteurs font que, pour les densités moyennes de porteurs, l’excitation des plasmons de surface ne produit qu’un élargissement modeste du pic quasi-élastique. Une procédure d’exaltation de la résolution est nécessaire pour révéler leur existence et leurs modes de combinaison avec les phonons. Un élément positif est que l’analyse des excitations de porteurs puisse être conduite non seulement au moyen de la partie imaginaire de la fonction diélectrique mais aussi grâce à la partie réelle et à l’écrantage résultant. La large valeur de la force d’oscillateur d’un des phonons longitudinaux permet de l’utiliser comme témoin. Situé entre celle du terme de Drude et des BGS, sa fréquence se déplace vers le bleu ou vers le rouge sous l’effet des excitations respectives des plasmons et des BGS...


  • Résumé

    The many applications of titanium dioxide TiO2, both existing and potential, have long attracted an intense research activity. In particular, TiO2 is nowadays foreseen to play a key role in environmental issues and alternative energy sources. Chemically inactive when stoichiometric, its applications mostly rely on reduced forms TiO2-x which points to properties of oxygen vacancies (Ovac) and titanium interstitials (Tiint) through which stoichiometry changes occur. The reduction of the oxide, that formally transforms Ti4+ in Ti3+, generates excess electrons that populate Ti 3d band-gap states (BGS). Central in chemistry, excess charges are also at the origin of the n-type electron conductivity of the oxide. The present work has been dealing with three central questions that are still pending, the respective role of Ovac and Tiint in the formation of BGS, the apparent contradiction between the n-type conductivity of the oxide and the deep donor character of the BGS and the nature of the electronic transport in the oxide. The origin, location and transport of excess charges were explored on rutile TiO2(110)-(1×1) by High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy (HREELS) measurements combined with dielectric simulations. Specific sample treatments and experimental approaches were used, including: (i) surface annealing in the 400-900 K range by exposure to a hot filament, while measuring the temperature via the Bose-Einstein loss/gain ratio; (ii) cooling down to 100 K; (iii) off-specular measurements; (iv) electron bombardment which only produces oxygen vacancies; (v) exposure to either oxygen or water vapours at different temperatures. BGS were directly evidenced in conditions in which either Ovac or Tiint were the unique type of defects of the surface. A schematic profile of the density of excess electrons through the surface region of TiO2(110) was proposed and improved throughout the manuscript by data fitting which suggested their location in the subsurface.Dielectric modelling was used to model the impact of all solid-state excitations on the shaping of HREELS spectra of reduced TiO2. It was proposed to describe BGS by an oscillator and conductivity through a Drude term. While BGS appears as a defined feature in the band gap, the signature of the carriers is less obvious. Instead of, for example zinc oxide, the large static dielectric function of the material and the high effective mass of carriers lead only to a slight broadening of the quasi-elastic peak through the excitation of surface plasmons at moderate carrier density. Enhancing apparent resolution allows glimpsing their existence and their combination modes with surface phonons. Fortunately, the carrier excitations can be tracked not only through the imaginary part of their dielectric function but also through the real part of this function and the resulting screening. Due to its very large oscillator strength, one longitudinal phonon can be used as a reporter; since its frequency lies between Drude term and BGS, it shifts upwards in energy with the occurrence of plasmon excitation and downwards with the BGS oscillator strength...


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