Oxyde transparent conducteur de ZnO : V à partir d'une cible de nanoparticules : de l’ablation par laser pulsé à un procédé de décharge à barrière diélectrique double fréquence à pression atmosphérique

Transparent conductive oxyde of ZnO : V from nanoparticles target : from pulsed laser deposition to a dual-frequency dielectric barrier discharge process at atmospheric pressure

• Auteur / Autrice : Romain Magnan
• Direction : Françoise Massines, Mohamed Chaker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Perpignan en cotutelle avec Institut national de la recherche scientifique (Québec, province)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) - Procédés- Matériaux et Energie Solaire / PROMES
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Richard Clergereaux, Khaled Hassouni, Nicolas Naudé, Kamal Djessas, Eric Tomasella, Gerjan Hagelaar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Clergereaux, Khaled Hassouni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Matériaux hybrides

Nanoparticules

Pression atmosphérique

Couches minces

Mots clés libres

Décharge à barrière diélectrique

Nanoparticules

Couche mince

Ablation par laser pulsé

Oxyde transparent conducteur

Sol-gel

Dielectric barrirer discharge

Nanoparticles (NPs)

Thin film

Pulsed laser deposition

Transparent conductive oxide

Sol-gel

Résumé

Cette thèse en cotutelle entre la France et le Canada a pour objectif de développer une méthode innovante d’élaboration de couches minces nano-composites de ZnO:V, basée sur la mise en vol et le dépôt de nanoparticules (NPs) de ZnO :V par des Décharges à Barrière Diélectrique (DBDs) double fréquence. Cette méthode de dépôt vise à réduire le coût de production par l’utilisation de nanoparticules synthétisées par méthode sol-gel et de DBDs dans une configuration permettant le dépôt de couches minces en continu à pression atmosphérique. Les travaux se sont déroulés en trois phases :- L’étude des OTC obtenus par ablation laser à partir d’une cible de NPs de ZnO:V(1 %at.) et de cibles métalliques de ZnV. La résistivité la plus faible (4 x 10 4 Ω.cm) est observée pour les dépôt faits à 250 °C à partir d’une cible de Zn :V(3 %at.) alors que les meilleures propriétés optiques sont celles d’une couche mince quasi-amorphe obtenue à 20 °C à partir de la cible de NPs de ZnO:V. Ces couches minces présentent une transmission de 40% dans l’UV à 250 nm, 90% dans le visible et 80% dans le PIR à 2500 nm) avec une résistivité de 6 x 10-2 Ω.cm. - La recherche et l’optimisation d’une source plasma DBD pour mettre en vol des NPs de ZnO:V dans une configuration compatible avec le dépôt de couches minces contrôlées. La démarche a consisté à chercher à accroître le flux et l’énergie des ions à la cathode en appliquant, sur une des électrodes, une tension radiofréquence (5 MHz) qui génère une forte densité d’ions (~2 x 1011/cm3) et sur l’autre électrode une tension basse fréquence (50 kHz) afin de transporter les ions vers la cathode. La première étape a été de bien comprendre la physique de la DBD RF-BF en couplant la caractérisation optique de la décharge et la modélisation fluide 1D. Lorsque la tension BF augmente, la décharge initialement RF en régime α bascule en régime α-γ durant 1/5 du cycle BF. Les résultats montrent qu’en régime γ la décharge est auto-entretenue dans la gaine et le flux d’ions à la cathode est multiplié par un facteur 7 alors que leur énergie s’accroit d’un facteur 4. L’étude expérimentale montre que lorsqu’une cible de NPs interagit avec une DBD RF-BF, des NPs sont mises en vol.- La conception et le test d’une configuration de réacteur DBD comprenant 2 zones plasmas successives : la première pour mettre en vol les NPs d’une cible, la deuxième pour déposer les NPs sur un substrat. Cette dernière est basée sur une DBD double fréquence BF-BF obtenue par application d’une tension 50 kHz qui génère des électrons pour charger les NPs et une tension 1 kHz dont on sait qu’elle peut assurer le transport des NPs chargées du volume vers les surfaces. La faisabilité a été montrée par l’observation de NPs sur le substrat.

This thesis jointly supervised by France and Canada aims to develop an innovative method for the development of thin nanocomposite layers of ZnO: V, based on the sputtering and deposition of ZnO: V nanoparticles (NPs) using Double Frequency Dielectric Barrier Discharges (DBDs). This deposition method aims to reduce the cost of production by using nanoparticles synthesized by the sol-gel method and DBD in a configuration allowing the deposition of thin films continuously at atmospheric pressure. The work took place in three phases:- The study of TCO obtained by pulsed laser deposition from a target of NPs of ZnO: V (1% at.) and metal targets of ZnV. The lowest resistivity (4 x 10-4 Ω.cm) is observed for the deposits made at 250 ° C from a Zn: V target (3% at.) While the best optical properties are those of a quasi-amorphous thin layer obtained at 20 ° C from the NPs target of ZnO: V. These thin films have a transmission of 40% in UV at 250 nm, 90% in the visible and 80% in the PIR at 2500 nm) with a resistivity of 6 x 10-2 Ω.cm.- Research and optimization of a DBD plasma source to sputter ZnO: V NPs in a configuration compatible with the deposition of controlled thin films. The approach consisted in increase the flow and energy of the ions at the cathode by applying, on one of the electrodes, a radiofrequency voltage (5 MHz) which generates a high density of ions (~ 2 x 1011 / cm3) and on the other electrode a low frequency voltage (50 kHz) in order to transport the ions to the cathode. The first step was to understand the physics of the DBD RF-BF by coupling the optical characterization of the discharge and the 1D fluid modeling. When the LF voltage increases, the initially RF discharge in the α regime switches to the α-γ regime for 1/5 of the LF cycle. The results show that in γ regime the discharge is self-sustaining in the sheath and the flow of ions at the cathode is multiplied by a factor of 7 while their energy increases by a factor of 4. The experimental study shows that when an NPs target interacts with an RF-BF DBD, NPs are brought into flight.- The design and testing of a DBD reactor configuration comprising 2 successive plasma zones: the first to launch the NPs of a target, the second to deposit the NPs on a substrate. The latter is based on a double frequency BF-LF DBD obtained by applying a 50 kHz voltage which generates electrons to charge the NPs and a 1 kHz voltage which we know can ensure the transport of charged NPs from the volume to surfaces. The feasibility was shown by the observation of NPs on the substrate.