Elaboration et caractérisation de AZO 2% en couches minces et son application à la détection de gaz par la mesure du bruit basse fréquence

Elaboration and characterization of AZO 2% in thin layers and its application to gas detection by measuring low frequency noise

• Auteur / Autrice : Abicha Agnaou
• Direction : Gérard Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Unité de dynamique et structure des matériaux moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de chimie environnementale et interactions sur le vivant - Unité de Dynamique et Structure des Matériaux Moléculaires / UDSMM
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Hauts-de-France. Conseil régional
• Jury : Président / Présidente : Abdelillah El Hdiy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Pascal, Jean-Marc Routoure, Nicolas Waldhoff, Chenghua Liang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Pascal, Jean-Marc Routoure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Pulvérisation cathodique

Détecteurs de gaz

Mots clés libres

Couche mince

AZO

Pulvérisation cathodique

Bruit 1/f

Capteurs

Surfaces

Thin films

AZO

Sputtering

1/f noise

Sensors

Surfaces

Résumé

Dans ce travail, nous avons réalisé et caractérisé des couches minces de AZO pour des applications capteurs ultrasensibles fonctionnant à la température ambiante. La méthode de détection des gaz choisie est la méthode de mesure du bruit basse fréquence (BF). L'élaboration du matériau est réalisée au moyen d'un bâti de pulvérisation cathodique RF à magnétron. Nous avons investigué l’effet de différents paramètres de dépôt sur la résistivité électrique afin de trouver un compromis entre eux et nous conduire à une faible résistivité. Pour cela, nous avons étudié l’influence de l’épaisseur des couches minces de AZO (50 nm à 450 nm) sur les propriétés structurales, morphologiques, électriques (en continu et bruit BF). Puis une étude de l’effet de la puissance RF de dépôt et du recuit post-dépôt sur les différentes propriétés est présentée. Les propriétés de détection de la série AZO à épaisseurs variables à la température ambiante en présence d’argon ou d’oxygène à différentes pressions par la méthode du bruit BF sont exposées. Une plateforme d'analyse des gaz contenant l'ensemble de l'instrumentation associée à notre capteur a été développée et présentée. Nous avons étudié en détail la réponse de la série de AZO en fonction de l’épaisseur sous différentes pressions l’oxygène injectées, et évalué les performances des différents capteurs. Les résultats obtenus ont montré que la détection de l’oxygène par la mesure de bruit BF est plus sensible que par la méthode en continue. Nous avons conclu de cette étude que : i) le niveau du bruit en 1/f mesuré pour un courant continu donné en présence de l’oxygène diminué par rapport à son niveau atteint à l’air ambiant, ii) la sensibilité Gₙₒᵢₛₑ augmente avec l’augmentation de l’épaisseur de la couche active de AZO du capteur, iii) la sensibilité Gₙₒᵢₛₑ augmente avec la pression d’oxygène puis sature, iv) le temps de réponse (temps d'attente pour atteindre l'état stationnaire pour le bruit) augmente avec l’augmentation de l’épaisseur de la couche active.

In this work, we realized and characterized thin films of AZO for ultra-sensitive sensor applications operating at ambient temperature. The gas detection method chosen is the method of measuring low frequency noise (LF). The development of the material is carried out by means of a magnetron RF sputtering frame. We investigated the effect of different deposition parameters on electrical resistivity in order to find a compromise between them and lead us to a low resistivity. For this, we studied the influence of the thickness of thin films of AZO (50 nm to 450 nm) on the structural, morphological, electrical properties (in continuous and noise LF). Then a study of the effect of RF deposition power and post-deposit annealing on the different properties is presented. The detection properties of the AZO series with varying thicknesses at room temperature in the presence of argon or oxygen at different pressures by the LF noise method are exposed. A gas analysis platform containing all the instrumentation associated with our sensor has been developed and presented. We have studied in detail the response of the AZO series as a function of the thickness under different injected oxygen pressures, and evaluated the performance of different sensors. The results obtained showed that the detection of oxygen by the measurement of LF noise is more sensitive than by the continuous method. We concluded from this study that: i) the noise level in 1/f measured for a given direct current in the presence of oxygen decreased compared to its level reached in the ambient air, ii) the sensitivity Gₙₒᵢₛₑ increases with the increase in the thickness of the active layer of AZO of the sensor, iii) the sensitivity Gₙₒᵢₛₑ increases with the pressure of oxygen then saturates, iv) the response time increases with increasing thickness of the active layer.