Synthèse par pulvérisation cathodique magnétron et caractérisation de films minces dédiés au développement d'un dispositif électrochrome ''tout céramique'' à électrolyte NASICON

Synthesis by magnetron sputtering and characterization of thin films dedicated to the development of a ''fully ceramic'' electrochromic device with NASICON electrolyte

• Auteur / Autrice : David Horwat
• Direction : Alain Billard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction ionique

Électrolytes

Pulvérisation cathodique

Couches minces

Résumé

Le développement d'un dispositif électrochrome “tout céramique“ basé sur un empilement de films minces représente un saut technologique susceptible de permettre une démocratisation des systèmes électrochromes. La difficulté principale réside dans la synthèse d'un électrolyte adapté et la compatibilité des différents éléments de l'empilement. Après une description du dispositif expérimental et la présentation des techniques d'analyse utilisées pour caractériser les couches déposées, nous présentons les limitations des techniques de pulvérisation cathodiques classiques pour la synthèse de films minces NASICONs (Na3Zr2Si2PO12) et proposons une nouvelle méthode de synthèse basée sur la co-pulvérisation réactive d'une cible d'alliage Zr-Si et d'une cible Na3PO4. Les films, amorphes à l'état brut d'élaboration sont homogènes d'un point de vue chimique sur de larges surfaces. Ils cristallisent dans une structure caractéristique des composés NASICONs après recuit à des températures inférieures à 750°C. La conductivité ionique évolue avec l'état structural et présente des valeurs proches des données caractéristiques des composés NASICONs massifs. Une étude des relations entre les paramètres d'élaboration et les propriétés optiques et électriques d'électrodes transparentes ZnO : Al montre qu'il est possible de synthétiser ces matériaux sous la forme de films minces transparents et conducteurs sur de larges Surfaces dans un domaine réduit de conditions expérimentales. Enfin, des tests électrochromes sur empilements ITO-WO3 et ITO-WO3-NASICON mettent en évidence la validité du concept de dispositif électrochrome basé sur un électrolyte céramique conducteur de sodium

The development of a “fully ceramic” electrochromic device based on a thin films stack represents a technological jump that could allow a mass production of electrochromic systems. The main difficulty consists in synthesising a well suited electrolyte and in the compatibility of the various elements. After a description of the experimental device and the presentation of the methods used to characterise the deposited layers, we present the limitations of the classical magnetron sputtering technique to synthesise thin NASICONs (Na3Zr2Si2PO12) films and propose a new method based on the reactive co-sputtering of Zr-Si and Na3PO4 targets. The films, amorphous in their as deposited state, present a good chemical homogeneity on large areas and cristallise under a NASICONs structure after annealing at temperatures lower than 750°C. The ionic conductivity evolves with the structural organisation and shows values close to the characteristic ones of bulk NASICONs. A study of the relations between the elaboration parameters and the optical and electrical properties of ZnO: Al transparent electrodes shows the possibility to synthesise this material under thin highly conducting and transparent films form on large scale in a short interval of experimental conditions. Finally, electrochromic tests on ITO-WO3 and ITO-WO3-NASICON evidenced the validity of the concept of an electrochromic device based on a Na+ conducting ceramic electrolyte.