De l'élaboration aux propriétés des couches de zircone : mécanismes de stabilisation de la phase quadratique

par Brahim Benali

Thèse de doctorat en Chimie. Science des matériaux

Sous la direction de Anne-Marie Huntz-Aubriot.

Soutenue en 2007

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Phases quadratique et monoclinique
• Transformation de phases
• Substrat sous-jacent
• Zircone -- Couches minces
• Dépôt en phase vapeur par organométalliques
• Tensions (chimie)
• Oxygène

Résumé

L’un des objectifs de la thèse, fondamental, consiste à mieux comprendre le rôle de divers paramètres, à savoir les contraintes internes et la chimie, sur la stabilisation de la phase quadratique métastable, et sa transformation en la phase monoclinique stable, au sein de films minces de zircone déposés par MOCVD. Concernant le paramètre contraintes internes, un modèle a été proposé afin d’expliquer leur rôle. Il se base sur un effet couplé entre les contraintes internes de compression et la taille des cristallites en relation avec la taille critique de transformation de phases, notion largement évoquée dans la bibliographie. Pour le second paramètre, la chimie, l’étude menée s’est intéressée plus particulièrement aux rôles du substrat sous-jacent et de l’oxygène. Il est apparu que la couche d’oxydes interfaciale créée lors de la phase de préchauffage avant le dépôt a un rôle important sur la croissance du film de zircone. Lorsqu’on se penche sur le rôle de l’oxygène il semble agir comme catalyseur de la transformation qui se produit plus aisément en atmosphère riche en oxygène. D’autre part, la stabilisation de la phase quadratique dans les films minces de zircone déposés par MOCVD est, comme dans le cas des films naturels, associée à un écart à la stœchiométrie avec défaut d’oxygène. L’autre objectif de cette thèse, industriel quant à lui, vise à développer, depuis la conception jusqu’à la construction, un nouveau réacteur MOCVD. Ce nouveau réacteur a permis d’élaborer des couches de zircone purement quadratique sur plusieurs micromètres d’épaisseur, une première d’après nos connaissances.

Titre traduit

From the synthesis to the properties of zirconia layers : mechanisms of the tetragonal phase stabilization

Résumé

One of the objectives of this thesis, fundamental, is to clarify the understanding of the role of various parameters, internal stresses and chemistry, on the stabilization of the metastable tetragonal phase, and its transformation into the stable monoclinic phase within zirconia thin films deposited by OMCVD. Concerning the stress parameter, a model has been proposed to explain its role. It is based on a coupling between the internal compressive stresses and the crystallite size in regard to the critical size of the phase transformation, notion widely discussed in the literature. For the second parameter, the chemistry, the study was particularly focused on the substrate and oxygen roles. It became clear that the interfacial oxide layer, formed during the heating phase prior to the deposition, had an important role on the growth of zirconia film. Concerning the oxygen influence, it is suggested that, it acts as a catalyst for the phase transformation which occurs more easily in oxygen-rich atmosphere. Besides, the tetragonal phase stabilization in the zirconia thin films deposited by OMCVD is, as in the case of natural layers formed by oxidation, oxygen sub-stoichiometric. The other objective of this thesis, industrial however, consisted in the conception and construction of a new OMCVD reactor. This new reactor allowed us to develop purely tetragonal zirconia layers whose thickness reaches several micrometers. According to our knowledge, it is worth noting that it has not been realised before.