Effets de l'interaction avec l'oxygène sur le comportement de couches semi-conductrices de ZnO, SnO et CdSe

Résumé
Les propriétés superficielles des matériaux solides diffèrent de celles du volume. A la surface, des défauts de différentes natures peuvent être présents. Ils permettent à la surface d'être interactive avec le milieu ambiant. Les multiples interactions entre les états de surface et des éléments du milieu extérieur peuvent modifier les propriétés superficielles. Ce travail étudie la régénération de couches semi-conductrices après adsorption isotherme d'oxygène à différentes températures effectuées entre 20 C et 300 C. Les matériaux qui ont servi à l'étude sont des couches de ZnO, SnO₂ et CdSe. Celles de CdSe ont été obtenues par co-évaporation, sous vide, de cadmium et de sélénium. Les échantillons de ZnO et SnO₂ ont été élaborés par oxydation, à des températures respectives de 450 C et 200 C, de Zn et Sn déposés par électrolyse et par évaporation sous vide. Les matériaux évaporés ont été déposés sur des plaquettes en verre, les autres ont été électrodéposés sur des substrats métalliques. Les variations des propriétés électriques des couches ont été suivies par mesure de leur résistance électrique superficielle R. Les courbes LogR = f (10³ /T (K)), relevées sous vide à différentes températures, sont caractéristiques d'un comportement de semi-conducteur.

Des essais d'adsorption d'O₂ à différentes températures montrent des variations considérables de R. En effet, la chimisorption forte d'un gaz par une surface semi-conductrice est telle que l'échange électronique entre adsorbant et adsorbat provoque la formation d'une zone de charge d'espace modifiant la conduction superficielle. Les résultats mettent en évidence des domaines de température de plus haute sensibilité à l'oxygène. Pour le CdSe, certaines désorptions isothermes ont été suffisantes pour une régénération totale des échantillons. Les couches de ZnO ont souvent nécessité des désorptions programmées en température (D.P.T.), pour leur restauration à l'état initial, après ionosorption d'O₂. L'exploitation des courbes de variation de R en cours de D.P.T. permet de déterminer les énergies mises en jeu. Les résultats prouvent que les réactions des états de surface avec l'oxygène sont multiénergétiques. La réactivité de ces couches vis à vis de cet élément dépend fortement de leurs conditions d'élaboration. Ainsi, ces échantillons pourraient servir à la détection de gaz réducteurs d'O₂ qui s'adsorberait par réduction de l'oxygène ionosorbé, et provoquerait un effet inverse sur la conduction, telle qu'une augmentation de la conductivité superficielle ou une diminution de la résistance d'un matériau semi-conducteur de type n. Ces variations sont importantes lorsque la concentration d'oxygène ionosorbé est grande, donc dans les domaines de température de plus haute sensibilité à l'oxygène. Ce mécanisme serait révélateur de la présence d'un gaz réducteur dans l'atmosphère et la surface d'un semi-conducteur pourrait servir d'élément sensible d'un détecteur de gaz.