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N° d’ordre : REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENS

N° d’ordre : REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ----------------------------------- UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU FACULTE DES SCIENCES --------------------------- DEPARTEMENT DE CHIMIE MEMOIRE Présentée pour obtenir le Grade de MASTER Filière : Chimie Spécialité : Physique et chimie des matériaux Par Melle DAHMOUN Aldjia et Melle GHERBI Siham Thème Soutenu le 26/09/2013, devant le jury composé de : Mme AMAOUZE Nouara MCB - UMMTO Présidente Mer CHAOUCHI Ahcene MCA - UMMTO Rapporteur Mme BOUZETINE Hakima MCA - UMMTO Co-promotrice Mme DOUANI Rachida MAA - UMMTO Examinatrice Melle SELLAM Djamila MCB - UMMTO Examinatrice ELABORATION ET CARACTERISATION DES NANOSTRUCTURES D’OXYDE DE ZINC PAR LE PROCEDE CHIMIQUE (CBD) SOMMAIRE Introduction générale…………………………………………………………………...1 Chapitre I : GENERALITES I-1 Les semi-conducteurs ............................................................................................... 3 a) Semi-conducteur de type n ................................................................................ 4 b) Semi -conducteur de type p ............................................................................... 4 I-2 L’oxyde de Zinc ...................................................................................................... 4 I-2-1 Définition ......................................................................................................... 4 I-2-2 propriétés de l’oxyde de Zinc ........................................................................ 4 a) Les propriétés cristallographiques .................................................................. 4 b) propriétés physiques ....................................................................................... 7 c) Propriétés chimiuque et catalytises ................................................................. 8 d) Propriétés optiques ......................................................................................... 8 e) Propriétés élictriques ..................................................................................... 9 I-3 Dopage ................................................................................................................. 10 a) dopage de type n…………………………………………………………....10 b) Dopage de type p…………………………………………………………....11 I-4 Différent types de défauts dans le ZnO………………………………………….11 I-5 Les nanostructures de l’oxyde de Zinc ................................................................ 12 I-5-1 Définition ....................................................................................................... 12 I-5-2 Les propriétés des nanostructures de L’oxyde de Zinc ............................... 13 a) Les propriétés optiques ................................................................................ 13 b) Les propriétés électriques ............................................................................ 13 I-6 Méthodes d’élaboration des nanostructures de ZnO ........................................... 14 I-6-1 Méthodes physiques ...................................................................................... 14 a) Evaporation /condensation/oxydation ......................................................... 14 b) Dépôt chimique en phase vapeur CVD ....................................................... 15 c) l’épitaxie par jets moléculaires .................................................................... 15 d) l’ablation laser ............................................................................................. 15 e) dépôt par pulvérisation cathodique .............................................................. 16 I-6-2 Méthodes chimiques ....................................................................................... 16 a) Méthode sol-gel ........................................................................................... 16 b) Dépôt par précipitation ................................................................................ 16 c) Procédé par émulsion ................................................................................... 17 d) Spray pyrolyse ............................................................................................. 17 e) Electrodéposition ......................................................................................... 17 f) Le dépôt en bain chimique CBD .................................................................. 18 I-7 Application de l’oxyde de Zinc ........................................................................... 20 a) Les Cellules solaires ....................................................................................... 20 b) Les Générateurs d’électricité .......................................................................... 21 c) Les Diodes électroluminescentes .................................................................... 21 d) Protection UV : ................................................................................................ 21 e) Capteurs de gaz : .............................................................................................. 22 I-8 Conclusion ............................................................................................................. 22 CHAPITRE II: PROCIDE D'ELABORATION ET TECHNIQUE D'ANALYSE II-1 Elaboration des nanostructures d’oxyde de Zinc ................................................... 23 II-1-1 Méthodes d’élaboration par CBD ................................................................ 23 a) Principe de la technique ............................................................................... 23 b) Produits utilisée .......................................................................................... 24 II-1-2 Procédures d'élaboration des nanostructures ................................................ 24 a) Traitement des substrat ................................................................................ 25 b) Préparation des solutions ............................................................................. 25 c) procédure de dépôt ........................................................................................ 26 II-1-3 Elaboration d'oxyde de Zinc dopé………………………………………....27 II-2 Techniques de caractérisations ........................................................................... 27 II-2-1 Diffraction de rayons X .............................................................................. 27 II-2-2 La spectroscopie UV-Visible. .................................................................... 28 II-2-3 Microscopie électronique à balayage (MEB) ............................................. 33 II-3 Conclusion ............................................................................................................. 35 CHAPITRE III: RESULTATS ET DISCUSSIONS III-1 Propriétés structurelles ......................................................................................... 34 III-2 Etude morphologique ........................................................................................ 35 III-3 Propriétés optiques .......................................................................................... 37 III-3-1 La transmission ......................................................................................... 37 III-3-2 L’indice de réfraction ................................................................................ 38 III-3-3 Le coefficient d’absorption ....................................................................... 39 III-3-4 Le gap ........................................................................................................ 40 III-4 Conclusion ........................................................................................................ 44 Conclusion générale………………………………………………………………….45 Référence bibliographique……………………………………………………………46 Listes des figures Glossaire Glossaire CBD : Dépôt en bain chimique CVD : Dépôt chimique en phase vapeur HMT : Hexaméthylène tetramine MOCVD : Metal-organique CVD PECVD : Plasma –Enhanced CVD ddp : différence de potentiel DC : dépôt chimique A : absorbance T : transmission n : indice de réfraction α : coefficient d 'adsorption NZO : l' oxyde de Zinc dope Nickel. Introduction générale 1 Introduction générale Au cours de ces dernières années, de nombreuses études et recherches se sont focalisées sur lesa nanomatériaux. Elles ont reçu une énorme attention en raison de leurs applications en optique, biologie, médecine,… etc [1,2,3]. Les propriétés électroniques et optoélectroniques des oxydes semi-conducteurs et conducteurs transparents ont été intensivement étudiées pendant ces dernières années. Grâce à ses propriétés semi-conductrices, piézo-électriques et optiques, l'oxyde de zinc (ZnO) en nanostructures offre de nombreuses possibilités d'applications. L’oxyde de zinc est un composé semi conducteur transparent de type II-VI avec une conductivité naturelle de type n. Les propriétés notables de ZnO sont sa largeur bande interdite directe (3.37 eV) à température ambiante et son énergie de liaison d’exciton élevée (60 meV) qui est très supérieure à celle de certains matériaux couramment utilisés tel que ZnSe (20 meV) et GaN (25 meV). La non-toxicité et l’abondance de ZnO sur la terre, font de lui un candidat idéal utilisé comme contact électrique transparent pour les cellules solaires en couches minces. Ce matériau est d’une grande importance dans le domaine de l’optoélectronique et de la photovoltaïque. Il peut être utilisé dans plusieurs applications dans différents domaines scientifiques et industriels, tels que les transducteurs piézoélectriques, les guides d’onde, détecteurs à gaz, électrodes transparentes conductrices. Ce qui justifie la diversité des méthodes d’élaboration utilisées pour l’obtention de ce matériau, ainsi que l’effort considérable déployé à l’étude de ce matériau tant sur le plan fondamental que sur le plan application technologique [2, 3, 4, 5, 6]. Les films de ZnO peuvent être élaborés par plusieurs techniques telles que : pulvérisation, dépôt chimique en phase vapeur, sol-gel, spray pyrolyse et la CBD (Dépôt en bain chimique) qui est la technique utilisée dans ce travail vue sa simplicité de mise en œuvre et son faible cout. Cette technique est devenue la voie la plus délibérée. Elle nous permet aussi le contrôle de la morphologie des couches. Introduction générale 2 L’objectif de ce travail est l’élaboration et la caractérisation des nanostructures d’oxyde de zinc (ZnO) pur et dopé au Ni déposées par la technique (CBD) (Chemical Bath Deposition) sur des substrats en verre. Notre mémoire est présenté dans un manuscrit structuré en trois parties comme suit : Le premier chapitre regroupe les résultats d’une recherche bibliographique mettant en évidence les principales propriétés de l’oxyde de zinc et les techniques utilisées pour la synthétise des nanostructures. Après, une attention particulièrement réservée à son application. Le deuxième chapitre décrit les différentes étapes expérimentales suivies pour l’élaboration des nanostructures de ZnO. En premier lieu, nous avons détaillé les conditions de dépôts de ZnO non dopé et dopé Nickel. Dans une seconde partie nous citons les différentes techniques utilisées pour la caractérisation des nanostructures. Le troisième chapitre est consacré à la discussion et l’interprétation des résultats obtenues (caractérisation structurale, morphologique, optique des nanostructures élaborées). Enfin, nous présentons une conclusion générale retraçant l’ensemble des résultats obtenus. CHAPITRE I GENERALITES Chapitre I Généralités 3 Ce chapitre sera consacré à la description des propriétés de l’oxyde de zinc (ZnO). Les différentes méthodes d’élaboration et les principaux domaines d’application seront également rapportés. I-1 Les semi-conducteurs Les semi-conducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux (conducteurs) et les isolants. Dans ce type de matériaux le courant électrique est favorisé par deux types de porteurs : les électrons et les trous. Lorsque le semi-conducteur est très pur, il est dit intrinsèque et présente une grande résistivité, les porteurs ne sont créés que par des défauts cristallins ou par excitation thermique. Dans ce dernier cas, le nombre d’électron dans la bande de conduction est égale au nombre de trous dans la bande de valence. Les semi-conducteurs sont utilisés sous forme de monocristal composés d’atomes très proche les uns des autres et régulièrement espacés. Le but de la théorie des bandes, est de donner une description du comportement de la population totale des électrons du monocristal, considéré comme parfait et infini dans toutes les directions, sans chercher de quel atome les électrons sont issus. Les valeurs d’énergie que peuvent prendre ces derniers forment des ensembles continus de bandes permises, celles-ci sont séparées les unes des autres par des bandes interdites. Le diagramme de bande est défini par :  La bande de valence (Ev) : dans laquelle se trouvent les électrons de la couche périphérique des atomes (électrons qui participent aux liaisons de valences).  La bande de conduction (Ec) : elle se situe au-dessus de la bande de valence, dans laquelle se trouvent les électrons qui participent à la conduction électrique.  La bande interdite (Eg) : elle sépare les deux bandes. Elle s’appelle aussi la bande vide d’énergie (ou gap). Elle est habituellement de l’ordre de quelques électron volts. L’importance de gap, détermine l’échange des porteurs de charge entre les différentes bandes d’énergie et ainsi les propriétés électroniques de semi-conducteur. Pour les métaux, le gap est inexistant et les électrons libres peuvent participer à la conduction. Chapitre I Généralités 4 Pour les isolants, le gap est très grand et la conductivité est quasiment impossible [7].  Semi-conducteur de type n Un semi-conducteur est de type n lorsque la concentration en électrons est supérieure à celle des trous [5,8].  Semi-conducteur de type p Lorsque le nombre de trous est excédentaire à celui des électrons libres dans un semi-conducteur, ce dernier est dit de type p. [5]. I-2 L’oxyde de Zinc I-2-1 Définition L’oxyde de zinc est un composé inorganique de formule chimique ZnO. C’est un semi-conducteur du groupe A uploads/Ingenierie_Lourd/ dahmoun-aldjia.pdf