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Étude des propriétés structurales, morphologiques, électriques et optiques des couches minces de nickelâtes de terres rares (SmNiO3 et Sm0.₆Nd0.₄NiO₃).

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Torriss, Badr (2017). Étude des propriétés structurales, morphologiques, électriques et optiques des couches minces de nickelâtes de terres rares (SmNiO3 et Sm0.₆Nd0.₄NiO₃). Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux.

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Résumé

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L’objectif de cette thèse est d’étudier l’influence des contraintes (compressives et tensives) sur les propriétés structurales, morphologiques, électriques et optiques (UV-visible, infrarouge) de couches minces de SmNiO3 (SNO) et de la solution solide Sm0.6Nd0.4NiO3 (SNNO). Les nickelâtes de terres rares dont la formule générale est RNiO3 (R : La, ..., Lu et Y) bénéficient d’une attention particulière de la part de la communauté scientifique, notamment en raison de leurs propriétés électriques et magnétiques. En effet, ces céramiques présentent en fonction de la température des transitions magnétiques (antiferro-paramagnétique) et électriques (métal-isolant) remarquables. La température de transition métal-isolant TMI de ces composées dépend de la taille de cation R. Un contrôle de cette température par le dopage chimique, la pression hydrostatique ou le champ électrique ouvre de nouvelles opportunités pour de nombreuses applications électroniques et photoniques. Dans un premier temps, nous avons relevé le défi d’obtenir des couches minces de SNO d’excellentes qualités (épitaxiales sans la présence de phases parasites) en employant la technique d’ablation laser (PLD pour Pulse Laser Deposition). Pour ce faire, nous avons en particulier optimisé la pression d’oxygène dans le réacteur et la température de dépôt. En utilisant différentes méthodes de caractérisation de matériau telles que la diffraction des rayons X (XRD), la spectrométrie de photoélectrons (XPS) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), nous avons pu montrer que les conditions de synthèse optimales sont une pression d’oxygène de 300 mTorr et une température de substrat de 600℃. En dehors de ces conditions, l’état de valence du nickel change de Ni3+ vers Ni2+, favorisant ainsi la formation d’oxydes parasites comme NiO, SmO et Sm2O3. Dans ce dernier cas, la transition métal-isolant est absente. Par la suite, nous avons étudié l’influence de la contrainte des couches minces de SNO sur leurs propriétés électriques et optiques. Dans ce but, nous avons déposé des couches minces de différentes épaisseurs de SNO (8.5, 16 et 63 nm) sur deux types de substrats monocristallins. Sur LaAlO3 (LAO), la couche de SNO est soumise à des contraintes légèrement compressives dans le plan. Par contre, sur SrTiO3 (STO) la couche est sous l’effet de contraintes tensives. Quand les contraintes varient de compressives à tensives, la température de transition TMI du SNO évolue vers des valeurs légèrement plus élevées. En effet, les températures de transition MI des films déposés sur LAO sont 381 K, 383 K et 370 K pour respectivement des épaisseurs de SNO de 8.5 nm, 16 nm et 63 nm. Par contre celles des films de mêmes épaisseurs déposés sur STO sont respectivement 396 K, 406 K et 404 K. La diminution de la température TMI avec l’accroissement de l’épaisseur de la couche indique que les contraintes compressives relaxent en augmentant l’angle Ni-O-Ni, ce qui accroit le chevauchement des orbitales et modifie la largeur de bande du système. Par ailleurs, pour les films de SNO déposés sur STO, la relaxation des contraintes tensives est accompagnée par la formation de lacunes d’oxygène à l’interface. Concernant la solution solide SNNO, des films épitaxiés ont été déposés sur différents substrats, à savoir le SrLaAlO4 (SLAO), le LAO et le STO. Les mesures de diffraction X des films de SNNO de différentes épaisseurs (8.5, 16 et 63 nm) déposés sur SLAO (contraintes très compressives) montrent que la valeur du paramètre de maille libre de contrainte croit lorsque l’épaisseur augmente. Cette valeur est nettement supérieure à celle de SNNO massif en particulier pour les films de forte épaisseur. L’expansion de la maille cristalline observée est certainement due à l’existence de lacunes d’oxygène dans ces nickelâtes. Ces lacunes perturbent la structure électronique de manière à ce que la transition MI soit annihilée entre 4 et 400K. Dans le cas des films de SNNO déposés sur LAO (contraintes légèrement compressives), tous les échantillons de différentes épaisseurs (8.5, 16 et 63 nm) présentent une transition MI de premier ordre. De plus, la température de transition MI diminue avec l’augmentation de l’épaisseur. Enfin pour les films de SNNO sur STO (contraintes très tensives), on observe pour le film le plus épais (63 nm) le volume de maille le plus petit et proche de celui du matériau massif, ce qui suggère que la quantité de lacunes d’oxygène est relativement faible. Dans ce cas la transition MI est bien présente. Pour la plus faible épaisseur de SNNO (8.5 nm), on note d’une part que le volume de maille est plus grand que celui du massif et d’autre part que la couche est très déformée. Ceci peut amener à une diminution de l’angle Ni-O-Ni et donc à une réduction de chevauchement entre les orbitales entrainant ainsi la disparition de la transition MI. Enfin on montre que la variation de la conductivité électrique en fonction de la température des couches de SNNO de 63 nm d’épaisseur déposées sur les substrats de SLAO et de STO suit celle prédite par le modèle de Mott pour les températures variantes entre 4 et 50K. Dans le cas de la couche déposée sur le substrat LAO, le modèle de Mott ne s’applique pas. Pour finir, nous avons utilisé la technique pompe (optique à 800 nm) -sonde (THz) pour caractériser une couche mince de SmNiO3 (63 nm) déposée sur LaAlO3. Nous avons en particulier mesuré et analysé la transmission différentielle ΔTTo du signal THz à différentes fluences (0,8 à 4,4 mJ/cm2). La relaxation de l’état photo-induite est caractérisée par la coexistence de deux constantes de temps, une constante ultrarapide et une lente. Ces temps de relaxation sont les signatures de deux sites distincts du nickel dans la phase isolante. Par ailleurs, Les mesures pompe-sonde à différentes températures indiquent une fermeture de la bande interdite avec l’augmentation de la température (de 300 K à 423 K). Enfin, nous avons montré que la photoconductivité complexe peut être décrite par le modèle de Drude-Smith. Ce modèle révèle que le processus de relaxation est caractérisé par des domaines isolants qui émergent entre les domaines métalliques, ce qui augmente probablement la rétrodiffusion des électrons libres aux interfaces métal/isolant.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: couches minces; SNO; SNNO; nickelâtes; terres rares; RNiO3; propriétés; thin layers; rare earth; properties
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 16 févr. 2018 21:21
Dernière modification: 16 févr. 2018 21:21
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6532

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