Simulations numériques ab initio de l'adsorption de l'ozone O3 par des couches d'oxydes de cuivre CuxO pour une application capteurs de gaz

par Hela Ouali

Thèse de doctorat en Matière condensée et nanosciences

Le président du jury était Samia Charfi-Kaddour.

Le jury était composé de M'hamed Ali Maaref, Caroline Lambert-Mauriat, Samia Charfi-Kaddour, Abdelhakim Labidi.

Les rapporteurs étaient Sihem Jaziri, Alain Estève.


  • Résumé

    Les équipes micro-capteurs (IM2NP) et capteurs de gaz (LMMA) développent des capteurs à base de couches minces de CuxO et étudient leurs réponses électriques sous O3. Les travaux de cette thèse ont pour but de mieux comprendre l’interaction solide-gaz à l’échelle atomique en simulant l’adsorption de l’O3 sur les surfaces (111) du CuO et du Cu2O. Pour cela nous avons utilisé la DF T (Density Functional Theory) dans le cadre de deux approximations de la fonctionnelle : la LDA (Local Density Approximation) et la GGA (Generalized Gradient Approximation).Pour le CuO, la correction de Hubbard (DF T + U) a été également prise en compte pour reproduire correctement les comportements semiconducteuret antiferromagnétique du matériau. Tous les calculs ont été menés avec le code SIESTA et montrent que pour les deux matériaux, l'ozone s’adsorbe sur la surface sans défauts, sans se dissocier, induisant un dopage p du matériau. Ceci est en accord avec la diminution de la résistance électrique mesurée expérimentalement sous ozone. Ensuite, l’ozone se dissocie en formant une molécule de O2 et un atome d’oxygène qui restent adsorbés. Cette étape ne semble pas modifier le dopage. Par contre lorsque le capteur n’est plus en présence d'O3, la molécule d’O2 désorbe et le dopage est annihilé. Dans ce mécanisme les énergies mises en jeu sont du même ordre de grandeur pour CuO ou pour Cu2O (allant de −3 eV à −1 eV). Dans l’objectif de développer un capteur de gaz, le CuO, plus facile à obtenir par les techniques de dépôt courantes en microélectronique, semble donc être plus pertinent que le Cu2O, qui a une réponse similaire (voire moindre) mais dont il est difficile d’obtenir une phase pure.

  • Titre traduit

    Ab initio simulations of the ozone (O3) adsorption on copper oxide (CuxO) layers for gas sensor application


  • Résumé

    Micro-sensors (IM2NP) and gas sensors (LMMA) team develop sensors based on CuO and Cu2O thin layers and study their electrical responses to O3. The aim of this thesis is a better understanding of the solid-gas interactions at the atomic scale by simulating the adsorption of O3 molecule on the (111) surfaces of CuO and Cu2O. Simulations were performed using the DF T (Density Functional Theory) within two functional approximations : the LDA (Local Density Appriximation) and GGA (Generalized Gradient Approximation). In the case of CuO, the Hubbard correction (DF T + U) was taken into account to properly reproduce the semiconductor and antiferromagnetic behaviors of the material. All calculations were performed with the SIESTA code and show that for the CuO as for Cu2O, O3 is adsorbed on the defect-free surface, without dissociating inducing a p-doping of the material. This observation is consistent with the decrease in electrical resistance measured experimentally under ozone. In a second stage ozone dissociates into a molecule of O2 and an oxygen atom which remains adsorbed. This step does not appear to change the doping. However, when the sensor is no longer in the presence of ozone, O2 molecule is desorbed and doping disappears. In this mechanism, the energies involved during the adsorption or the dissociation of ozone are of the same order of magnitude for CuO or Cu2O (ranging from −1 eV to −3 eV). Aiming to develop a gas sensor, and since the CuO material is easier to obtain by standard deposition techniques (RF sputtering), it seems to be more appropriate than the Cu2O, which has a similar response (even lower) but is more difficult to synthesize in a pure phase.


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Informations

  • Sous le titre : Simulations numériques ab initio de l'adsorption de l'ozone O3 par des couches d'oxydes de cuivre CuxO pour une application capteurs de gaz
  • Détails : 1 vol.(145p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
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