Etude des propriétés physiques des couches minces de TiO2 dopé au Co/Mn préparées par PECVD : Expériences associées aux calculs DFT

Abstract

Dans ce travail, le dioxyde de titane (TiO2) a été étudié au moyen d’une approche conjointe théorique et expérimentale, dans le but de comprendre l’influence de la structure cristalline et du dopage sur ses différentes propriétés physiques. La méthode des premiers principes basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), avec la correction DFT+U, a été utilisée pour l’investigation de trois phases cristallines : anatase, rutile et brookite. Les résultats énergétiques ont mis en évidence que la phase rutile présente la stabilité la plus élevée par rapport aux deux autres phases, ce qui a motivé son choix comme structure de référence pour la suite de l’étude. Par la suite, le dopage du rutile par le cobalt (Co) a été étudié par simulation DFT à l’aide du logiciel CASTEP dans l’approximation GGA-PBE, en utilisant une supercellule (2×1×1) et différentes concentrations de dopage : 6,25 %, 12,5 %, 25 % et 50 %. En parallèle, En parallèle, les diffractogrammes de diffraction des rayons X (DRX) ont été simulés théoriquement à l’aide du logiciel VESTA, tandis que des couches minces de TiO2 :Co ont été déposées par la technique PECVD et caractérisées expérimentalement par spectroscopie infrarouge (IR). Les résultats ont montré le maintien de la phase rutile avec de légères variations dans l’intensité des pics et les modes vibrationnels en fonction de la concentration en cobalt. Au Propriété électronique, les résultats montrent une diminution progressive de la bande interdite (Eg) avec l’augmentation du dopage, passant de 1,881 eV à l’état pur à environ 1,8 eV pour 6,25 %, puis à 1,7 eV pour 12,5 %, jusqu’à des valeurs proches de 1 eV pour 25 % et 50 %. Cette diminution est attribuée à l’apparition de niveaux d’énergie induits par les orbitales 3d du Co dans la bande interdite, facilitant ainsi les transitions électroniques. Les résultats théoriques et expérimentaux montrent que le dopage du TiO2 par le cobalt améliore significativement l’absorption optique dans le domaine visible. Cette amélioration est associée au rétrécissement de la bande interdite et au décalage vers le rouge du bord d’absorption avec l’augmentation de la teneur en cobalt. Parallèlement, la transmission moyenne diminue légèrement, passant d’environ 94,5 % pour le TiO2 pur à 76,8 %, 71,57 %, 77,13 % et 79,47 % pour les échantillons dopés à 6,25 %, 12,5 %, 25 % et 50 % de Co, respectivement. Malgré cette diminution, les échantillons conservent une transparence optique élevée, ce qui confirme l’efficacité du dopage au cobalt pour améliorer la réponse optique du TiO2 tout en préservant de bonnes propriétés de transmission. En ce qui concerne la stabilité mécanique, le TiO2 conserve son intégrité structurale malgré le dopage au cobalt, sans effondrement du réseau cristallin. Le module de compressibilité B = (222.17 ± 1.13) GPa traduit une rigidité élevée du matériau, tandis que 5le coefficient de Poisson (ν = 0, 289) confirme un comportement élastique stable. Ces ré- sultats indiquent que l’incorporation du cobalt n’altère pas de manière significative la stabilité structurale de la phase rutile, même à des concentrations de dopage élevées. Ainsi, Le dopage du TiO2 au cobalt permet un ajustement significatif des propriétés électroniques et optiques tout en préservant une bonne stabilité mécanique, ce qui rend ce matériau prometteur pour des applications en photocatalyse, dans les cellules solaires et les dispositifs optiques