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Thèse soutenue

Propriétés microstructurales, optoélectroniques et de magnéto-transport de couches minces de carbone dopées au cobalt

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Auteur / Autrice : André Eben-Ezer Tembre Ngbognola
Direction : Martial Clin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences. Physique de la matière condensée
Date : Soutenance en 2010
Etablissement(s) : Amiens

Résumé

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Ce travail de thèse avait pour principal objectif, l’élaboration et la caractérisation de couches minces de carbone dopées au cobalt. Ces couches ont été fabriquées en utilisant un bâti de dépôt qui a été spécialement conçu et réalisé au laboratoire, autour de la technique de dépôt par arc électrique pulsé de basse tension continue. Le matériau source se présentait sous forme d’électrodes de graphite soumises à un arc électrique. L’obtention de couches dopées au cobalt a été possible, en insérant dans l’une des électrodes un mélange de poudre de graphite et de cobalt. Cette électrode, contrairement à l’usage constituait l’anode de notre dispositif, ce qui nous a permis d’obtenir des couches minces de carbone contenant des pourcentages massique de cobalt assez faibles, comme l’ont montré les mesures d’absorption atomique dont les valeurs étaient inférieures à 2%. L’observation de ces couches minces par la microscopie électronique en transmission à haute résolution a révélé l’existence d’une microstructure complexe. Des agrégats de cobalt cristallisés d’environs 5 nm de diamètre ont été observés. Ces agrégats sont répartis au sein d’une structure multiphasée constituée de carbone graphitique cristallisé et de carbone amorphe. Une étude de la surface des couches réalisées en utilisant un microscope à force atomique a mis en évidence une surface présentant une rugosité relativement importante laissant présager une grande porosité des couches. Nous avons mesuré l’énergie de surface des couches par la technique de l’angle de contact que fait une goutte de liquide lorsqu’elle est posée sur une surface. Nous avons interprété les résultats expérimentaux obtenus en fonction de la concentration en cobalt des couches, dans le cadre du modèle de Cassie-Baxter utilisé pour les surfaces chimiquement hétérogènes. Nous avons pris comme hypothèse une surface constituée de deux milieux : du carbone et du cobalt. Ce dernier est présent dans des zones de 5 nm de diamètre réparties aléatoirement. Les valeurs obtenues à partir du modèle de Cassie-Baxter sont en très bon accord avec les valeurs expérimentales, confirmant ainsi l’hypothèse de la distribution du cobalt dans les couches sous forme d’agrégats cristallisés de 5 nm de diamètre, répartis aléatoirement dans le matériau carboné. Une étude par spectroscopie infrarouge et Raman a permis de mettre en évidence dans nos couches une microstructure complexe. L’existence de liaisons carbone-cobalt associées à des chaînes linéaires carbonées a été mise en évidence. La présence de liaisons carbone-hydrogène et oxygène-hydrogène dans les couches résulte d’une contamination post dépôt, traduisant une forte porosité des couches. L’analyse des spectres Raman des couches, réalisée en utilisant une base spectrale obtenue par l’investigation Raman d’éléments structuraux singuliers présents sur la surface des échantillons, nous a permis d’identifier plusieurs phases de carbone dans nos couches. En plus des agrégats de cobalt, nos couches contiennent une phase de carbone amorphe, une phase se rapprochant du carbone tétra coordonné qui évolue vers du graphite nanocristallin lorsque la concentration en cobalt augmente, une phase associée à la présence de liaisons carbone alternées simple et double liaisons telles que réalisées dans les chaînes de type poly-acétyléniques et enfin une phase de type fullerène. Des mesures de conductivité électrique en fonction de la température et d’un champ magnétique appliqué, ont permis de mettre en évidence l’existence d’une transition métal-isolant vers 60 K sur les couches contenant 0,3% de cobalt, ainsi qu’un effet de magnétorésistance entre 60 K et 200 K. Des mesures de susceptibilité magnétique en fonction de la température ont confirmé l’existence de l’anomalie observée à 60 K et apporté des indices forts en faveur de la présence dans les couches d’un état magnétiquement ordonné en dessous de 60 K. La nature de cet état nécessite des investigations supplémentaires qui sortent du cadre de ce travail. Ce travail préliminaire sur l’élaboration et la caractérisation de couches minces de carbone dopées au cobalt en utilisant une technique de dépôt particulière, doit être complété par une étude permettant de préciser le rôle des paramètres de dépôt sur les caractéristiques microstructurales et magnétoélectriques des couches, en particulier l’effet du courant d’arc (flux de particules arrivant sur le substrat), l’effet de la tension de polarisation du substrat (énergie des particules arrivant sur le substrat), effet de la fréquence et la durée des pulses électriques (dynamique de croissance des couches), effet de la pression et la nature du gaz dans l’enceinte de dépôt et enfin le rôle de la focalisation du plasma par un champ magnétique sur la microstructure des couches. Des mesures d’aimantation spontanée des couches en dessous de 60 K sont nécessaires pour confirmer l’existence d’une phase magnétiquement ordonnée, et des investigations supplémentaires sur les effets de magnétorésistance observés sur les couches mériteraient d’être entreprises. Il serait intéressant d’entreprendre un travail sur l’interprétation des mesures électriques dans le cadre d’un milieu composite.