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Synthèse et caractérisation de couches minces de dioxyde de vanadium.

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Chamand, Chloé (2021). Synthèse et caractérisation de couches minces de dioxyde de vanadium. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 102 p.

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Résumé

Le dioxyde de vanadium (VO₂) est un matériau possédant une transition de phase (IMT pour Insulator-Metal Transition) réversible à environ 68 °C qui est accompagnée d’un changement de structure cristalline de monoclinique à rutile et d’une variation de ses propriétés électriques et optiques. Du fait de ses propriétés intéressantes, le VO₂ est un matériau prometteur pour des applications dans le domaine des batteries au lithium ou les « Smart Radiator Device ». Dans ce projet, les procédés de synthèse utilisés pour l’élaboration de couches minces sont le dépôt par ablation laser (PLD) et la pulvérisation réactive assistée par plasma micro-onde multi-dipolaire. Ce mémoire est partagé en deux parties qui traitent toutes deux de la synthèse du VO₂ mais avec différents objectifs. La première partie qui fut réalisée au sein de l’INRS porte sur la synthèse et le dopage au lithium du VO₂, et cela dans l’objectif de futures applications dans le domaine des batteries. Cette partie se déroule en plusieurs étapes correspondant à l’optimisation des conditions expérimentales pour la synthèse du VO₂ sur les matériaux choisis (aluminium et cuivre) et pour le dopage au lithium, ainsi que l’utilisation de diverses techniques de caractérisation pour vérifier la qualité du VO₂. L’obtention du dioxyde de vanadium sur le cuivre a été réalisée par l’oxydation d’une couche de VN déposée par sputtering tandis que l’ablation laser a été utilisée sur l’aluminium. L’ajout de lithium dans le VO₂ par dopage a fonctionné et produit un décalage du pic du mode V-O de 616 à 628 cm⁻¹ après dopage sur les spectres Raman. Les résultats EDX ont montré une proportion de lithium dans le VO₂/Cu dopé beaucoup plus importante (18 %at.) que dans le VO₂/Al (2 %at.) avec les mêmes conditions de dopage. La seconde partie fut quant à elle réalisée au LPSC et porte sur la synthèse de VO₂ par pulvérisation réactive assistée par plasma micro-onde multi-dipolaire (PAPMM). L’objectif de cette partie est de déposer du VO₂ sur des substrats différents, pour différentes épaisseurs et températures de dépôt. Pour cela des optimisations des conditions expérimentales (incluant la polarisation du substrat) pour le contrôle de l’épaisseur de VO₂ (M), le dépôt à basse température et l’effet de la polarisation du substrat ont été effectuées. Pour les dépôts effectués à une température du substrat de 450 °C, l'augmentation de l'épaisseur du film a fait apparaître la phase VO₂ (R) avec pour conséquence la détérioration des propriétés physiques des films. La polarisation du substrat à -20 V pendant le dépôt a permis d’empêcher l’apparition de VO₂(R). Des films VO₂(M) ont également été obtenus avec succès à plus basse température du substrat (400 °C), mais uniquement sur des substrats SiO₂/Si.

Abstract

Vanadium dioxide (VO₂) is a material with a reversible phase transition (IMT for Insulator-Metal Transition) at about 68 °C which is accompanied by a change in crystal structure from monoclinic to rutile and a variation in its electrical and optical properties. Due to its interesting properties, VO₂ is a promising material for applications in the field of lithium batteries or "Smart Radiator Device". In this project, the synthesis of thin films are performed using pulsed laser deposition (PLD) and reactive sputtering assisted by multi-dipole microwave plasma. This thesis is divided into two parts which both deal with the synthesis of VO₂ but with different objectives. The first part, which was carried out at INRS, deals with the synthesis and lithium doping of VO₂, with the objective of future applications in the field of batteries. This part takes place in several steps corresponding to the optimization of the experimental conditions for the synthesis of VO₂ on the chosen materials (aluminium and copper) and for the doping with lithium, as well as the use of various techniques of characterization to check the quality of VO₂. The vanadium dioxide on copper was obtained by oxidation of a VN layer deposited by sputtering while laser ablation was used for the deposition on aluminum. The addition of lithium in VO₂ by doping worked and produced the shift of the V-O mode peak from 616 to 628 cm⁻¹ after doping on the Raman spectra. EDX results showed a much higher proportion of lithium in doped VO₂/Cu (18 %at.) than for VO₂/Al (2 %at.) with the same doping conditions. The second part was realized at LPSC and concerns the synthesis of VO₂ by reactive sputtering assisted by multi-dipole microwave plasma. The objective of this part is to deposit VO₂ on different substrates, for different thicknesses and deposition temperatures. For this purpose, optimizations of the experimental conditions (including the substrate polarization) for the control of the VO₂ (M) thickness and of the deposition at low temperature have been performed. For deposition performed at a substrate temperature of 450 °C, the increase in film thickness caused the VO₂ (R) phase to appear with consequent deterioration of the physical properties of the films. Biasing the substrate at -20 V during deposition prevented the appearance of VO₂(R). VO₂(M) films were also successfully obtained at lower substrate temperatures (400 °C), but only on SiO₂/Si substrates.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Co-directeurs de mémoire/thèse: Lacoste, Ana
Mots-clés libres: VO₂; ablation laser; pulvérisation réactive; dopage; laser ablation; reactive sputtering; doping
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 04 mars 2022 16:34
Dernière modification: 04 mars 2022 16:34
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12471

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