Élaboration et caractérisation de films minces nanocomposites obtenus par pulvérisation cathodique radiofréquence en vue de leur application dans le domaine des capteurs de CO2
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work involves the deposition and the characterization of nanocomposites thin films by rf-sputtering method from a delafossite (CuFeO2) target for use as sensing materials for CO2 gas sensors. Thin films were deposited using four conditions by varying argon pressure and target-to-substrate distance. First of all, the structure and the microstructure were studied for the as-deposited samples. The presence of metallic copper showed the reducing feature of the technique. Spherical copper particles were found to be within the layer, as well as rod-shape particles were localized at the interface with the substrate. Metallic copper content was dependant of the deposition conditions. Indeed, incident particles are very energetic at low pressure and small target-to-substrate distance, leading to a partial reduction of the growing layer. In this case, metallic copper content is important. In a second step, the thin films were annealed in air in order to oxidize the phases and to obtain the composite CuO/CuFe2O4. Scanning electron microscopy images showed a structure in two layers stacked on top of each other. Analysis by photoelectron spectroscopy revealed that the surface layer is composed by CuO and the heart layer by CuFe2O4. Finally, the original material associating a p-type oxide (CuO) and a n-type oxide (CuFe2O4) showed a p-type semiconductor behavior to CO2 gas. Best response was obtained for a sample deposited in the most reducing conditions and was close to 50%. Response and recovery time were 65 and 8 min, respectively.
Abstract FR:
Les travaux sur l'utilisation de nouveaux matériaux pour la conception de systèmes de mesure de la qualité de l'air, efficaces et peu chers, suscitent un intérêt croissant dans notre société. L'objectif de ces travaux de thèse est l'élaboration et la caractérisation de couches minces nanocomposites obtenues par pulvérisation cathodique RF à partir d'une cible de CuFeO2, en vue de leur utilisation comme couche sensible pour la détection du CO2. Les films minces ont été déposés dans quatre conditions différentes en variant la pression d'argon dans l'enceinte et la distance cible-substrat. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la structure et la microstructure des films bruts de dépôt par DRX, MEB et MET, EPMA, XPS, AFM et spectroscopie Raman. Ces analyses ont permis de révéler la présence de cuivre métallique dans les dépôts, dont les teneurs sont dépendantes des conditions d'élaboration, mais également de déterminer la nature de la matrice oxyde. Cette dernière est constituée d'une phase spinelle CuxFe3-xO4 (avec x proche de zéro) et de cuprite Cu2O. Elles ont ainsi pu mettre en évidence le caractère réducteur de la technique de pulvérisation. L'étude des couches minces traitées thermiquement sous air a ensuite montré une nanostructuration en deux couches superposées. La composition, l'épaisseur et la porosité de chacune des couches ont été déterminées par analyses couplées XPS, EPMA, MEB. La couche de surface s'avère être du CuO et la couche de cœur du CuFe2O4. La couche de CuO présente des épaisseurs et des porosités différentes suivant les conditions de dépôt utilisées pour les échantillons bruts : les plus grandes épaisseurs et porosités sont obtenues pour les films bruts possédant la plus grande teneur en cuivre métallique. Enfin, après la mise en œuvre et l'optimisation d'une cellule de mesure, nos matériaux originaux associant, avec différentes microstructures, des oxydes de type p (CuO) et n (CuFe2O4) ont été testés en vue de la détection du CO2. La meilleure réponse a été obtenue pour une couche élaborée dans les conditions les plus réductrices et est proche de 50%. Les temps de réponse et de recouvrement sont de 65 et 8 min, respectivement. Les réponses de ces matériaux ont également été testées avec succès pour d'autres gaz tels que NO2, H2 et C2H5OH.