Étude des propriétés physiques des couches minces de ZnO dopé au Fer préparées par PECVD :Expériences associées aux calculs DFT

Abstract

Ce travail porte sur l’étude combinée, théorique et expérimentale, des couches minces d’oxyde de zinc (ZnO) élaborées par la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), ainsi que sur leur modélisation par simulation ab initio. L’approche théorique adoptée repose sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT), mise en œuvre à l’aide du code CASTEP, basé sur la méthode des pseudopotentiels et utilisant l’approximation du gradient généralisé (GGA). Les simulations ont été menées sur des supercellules périodiques de ZnO à structure wurtzite de dimensions 2 × 2 × 2, tant dans l’état non dopé que dopé au fer (Fe). Sur le plan expérimental, des couches minces de ZnO non dopées et dopées au fer, avec des concentrations allant de 0 à 10 %, ont été élaborées par la méthode PECVD. Les films obtenus ont été caractérisés à l’aide de différentes techniques d’analyse, notamment la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie UV-visible, réalisées au sein du laboratoire de physique de l’Université de Médéa. Les résultats expérimentaux ont montré que l’énergie de la bande interdite (gap) varie en fonction du taux de dopage, avec un rapport atomique Fe/Zn compris entre 0 et 1. Les valeurs du gap optique déterminées par la méthode de Tauc se situent entre 2,83 eV et 3,12 eV, avec une absorbance de 0,8 cm−1 . Par ailleurs, les propriétés mécaniques ont également été étudiées par calcul ab initio. Les constantes élastiques, notamment le module de Young (E = 110,87599 GPa) et la constante de Lamé (λ = 93,53102 GPa), ont été déterminées, apportant un éclairage complémentaire sur le comportement mécanique du matériau. Grâce à ses propriétés remarquables, le ZnO présente un large éventail d’applications potentielles, notamment dans les cellules photovoltaïques, les matériaux conducteurs transparents, les transducteurs, les électrodes, les capteurs et les dispositifs catalytiques.