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Synthèse et caractérisation de couches minces de VO2 et de WxV1-xO2 par ablation laser réactive et application au refroidissement radiatif des nanosatellites.

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Chaillou, Jérémie (2022). Synthèse et caractérisation de couches minces de VO2 et de WxV1-xO2 par ablation laser réactive et application au refroidissement radiatif des nanosatellites. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 141 p.

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Résumé

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Le dioxyde de vanadium est un matériau étudié depuis plus d’un demi-siècle en raison de sa transition de phase d’un état semiconducteur vers un état métallique (SMT – Semiconductor to Metal Transition) autour d’une température de 341 K (68 °C). Cette transition de phase comprend une composante électronique (transition de Mott) et une composante structurale (transition de Peierls) et est accompagnée d’un changement des propriétés électriques et optiques du matériau, qui se transforme d’un semiconducteur transparent dans l’infrarouge et électriquement isolant vers un métal conducteur réfléchissant dans l’infrarouge. Ce matériau fascinant associé à la technologie des couches minces se révèle prometteur pour la fabrication de dispositifs novateurs dans le domaine de la gestion de la chaleur, du stockage de l’énergie, de la détection et de la microélectronique. Le dépôt par ablation laser (PLD – Pulsed Laser Deposition) permet d’obtenir des films de VO2 stœchiométriques et de haute qualité cristalline sur une large variété de substrats tout en offrant la possibilité de maitriser les propriétés structurelles des couches. La température de transition du matériau peut en outre être modifiée par l’ajout d’un faible pourcentage de dopant métallique. Durant ce travail, nous verrons comment les contraintes interfaciales et leur relaxation modifient la température de transition et la morphologie de la couche en question. Cet effet sera combiné au dopage dans le système épitaxial WxV1-xO2/TiO2(001). L’ajout de tungstène permet d’annuler la relaxation des contraintes et de maximiser l’efficacité du dopage, avec une réduction de la température de transition d’environ -30 K / % W pour des couches de WxV1-xO2/TiO2(001) contre -15 K / W % pour des couches polycristallines de référence WxV1-xO2/SiO2. Le changement de régime d’ablation permet de contrôler la rugosité. L’utilisation d’impulsions picosecondes permet l’obtention de nanosphères de VO2. Ces couches nanostructurées présentent une rugosité accrue de ~ 30 nm RMS et une activité électrochimique de ~ 280 μF/cm2 contre 4 nm RMS et ~ 2 μF/cm2 pour les couches issues de PLD nanoseconde conventionnelle. De plus, le contrôle de l’oxydation des nanosphères permet de moduler la largeur d’hystérésis entre 6 et 19 K. Le VO2 en couches minces trouve une utilité particulière pour le refroidissement radiatif des nanosatellites. L’utilisation de W0.025V0.975O2 permet la fabrication d’un radiateur intelligent résistant aux conditions spatiales et doté d’une modulation d’émissivité de ~ 40 % entre -10 et 100 °C (263 et 373 K). Un tel dispositif de 4 x 4 cm2 pèse moins de 5 g et est capable de dissiper jusqu’à 1.2 W à 100 °C (373 K).

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Vanadium dioxide has been studied for more than half a century due to its semiconductor to metal transition (SMT) around a temperature of 341 K (68 °C). This phase transition includes an electronic component (Mott transition) and a structural component (Peierls transition) and is accompanied by a change in the electrical and optical properties of the material, which transforms from an infrared transparent and electrically insulating semiconductor to a conductive infrared reflective metal. This fascinating material combined with thin film technology shows promise for the manufacture of innovative devices in the field of heat management, energy storage, sensing and microelectronics. Pulsed Laser Deposition (PLD) makes it possible to obtain stoichiometric VO2 films of high crystalline quality on a wide variety of substrates while offering the possibility of tuning the structural properties of the films. The transition temperature of the material can also be changed by adding a small percentage of metal dopant. During this work, we will see how interfacial strain and its relaxation modify the transition temperature and morphology of the film. This effect will be combined with doping in the epitaxial system WxV1-xO2/TiO2(001). The addition of tungsten makes it possible to quench the strain relaxation and maximize the efficiency of the doping, with a reduction of the transition temperature of about -30 K / % W for films of WxV1-xO2 / TiO2 (001) versus -15 K / % W for reference polycrystalline films WxV1-xO2 / SiO2. The change of ablation regime allows roughness control. The use of picosecond pulses leads to VO2 nanospheres. These nanostructured films show an increased roughness of ~ 30 nm RMS with an electrochemical activity of ~ 280 μF/cm2 versus 4 nm RMS and ~ 2 μF/cm2 for layers for conventional nanosecond PLD. In addition, the control of the nanosphere oxidation allows to modulate the hysteresis width between 6 and 19 K. VO2 thin films are particularly useful for radiative cooling of nanosatellites. The use of W0.025V0.975O2 allows the manufacturing of intelligent radiators resistant to space conditions, with an emissivity modulation of ~ 40 % between -10 and 100 °C (263 and 373 K). Such a 4 x 4 cm2 device weighs less than 5 g and can dissipate up to 1.2 W at 100 °C (373 K).

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Mots-clés libres: dioxyde de vanadium; couches minces; transition de phase; contrôle des propriétés; PLD; refroidissement radiatif; vanadium dioxide; thin films; phase transition; property control; radiative cooling
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 30 mars 2023 19:03
Dernière modification: 30 mars 2023 19:03
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/13238

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