Capteurs à base des couches minces d’oxyde de cuivre (II) (CuO) : Optimisation et modélisation en vue de la détection de gaz

Thin film copper oxide (CuO) gas sensors : Optimization and characterisation for detection applications

• Auteur / Autrice : Amina Bejaoui
• Direction : Khalifa Aguir, M'hamed Ali Maaref
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 05/07/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Université de Carthage (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : François Flory
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adnane Abdelghani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hassen Aroui, Nicole Jaffrezic-Renault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de gaz

Oxydes de cuivre

Ozone

Ellipsométrie

Diffractomètres de rayons X

Microscopie à force atomique

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Capteur

CuO

AFM

DRX

Ellipsométrie

Modélisation

Ozone

Éthanol

Sensor

CuO

AFM

DRX

Ellipsometry

Modeling

Ozone

Ethanol

Résumé

L’objectif de ce travail est l’étude et la modélisation d’un capteur de gaz à base d’oxyde métallique semiconducteur de type p (cas de CuO). Pour cela, des couches minces de CuO ont été élaborées dans l‘équipe microcapteurs de IM2NP à partir de deux techniques différentes : la pulvérisation cathodique réactive magnétron radio-fréquence et l’oxydation thermique des couches minces de cuivre déposées par évaporation thermique sous vide. Différentes techniques de caractérisation ont été mises en oeuvre pour évaluer les propriétés des couches minces obtenues en vue de les optimiser pour l’application capteur. La microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont révélé une nanostructure homogène dont la morphologie présente la porosité désirée. Les analyses par diffraction de rayons X (DRX) ont montré que ces couches minces présentent une monophase de CuO avec une orientation préférentielle (111), les études optiques par ellipsométrie dans le domaine visible ont permis d’estimer les pourcentages de porosité dans chaque couche. Ces couches possèdent la cristallinité et la pureté requises pour l'utilisation en capteurs de gaz. Les performances de ces couches minces de CuO ont été évaluées pour la détection de l’ozone et de l’éthanol. Sur la base de ces résultats, un modèle dynamique a été développé simulant la réaction entre les espèces oxygénées ionisées adsorbées à la surface d'un semiconducteur de type p avec un gaz, qui permet d’évaluer l’influence des paramètres de fonctionnement (Température de fonctionnement, pression d’oxygène et concentration de gaz).

The objective of this work is to study and model a gas sensor based on a p-type metal oxide semiconductor (case of CuO). For this, thin layers of CuO have been developed in the microsensor team at the IM2NP laboratory from two different techniques: radio frequency reactive magnetron sputtering and thermal oxidation of thin copper films deposited by thermal evaporation under vacuum. Different characterization techniques have been implemented to evaluate the properties of the thin films obtained in order to optimize them for sensor applications. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) revealed a homogeneous nanostructured morphology which has the desired porosity. Diffraction analysis (XRD) showed that these thin films have a single phase of CuO with a preferred orientation (111). Optical studies by ellipsometry in the visible spectral region were used to estimate the percentage of porosity in each layer. These layers have the crystallinity and purity required for use in gas sensors. The performances of these thin layers of CuO were evaluated for the detection of ozone and ethanol. Based on these results, a dynamic model was developed to simulate the reaction between the ionized oxygen species adsorbed on the surface of a p-type semiconductor with a gas, which is used to evaluate the influence of operating parameters (working temperature, oxygen concentration and gas pressure).