Effet de l'humidité du gaz vecteur et de l'assistance UV dans le procédé aérosol CVD pour l'élaboration de couches mines fluorescentes dopées terre rare, Growth and characterisation of nano composite oxide thin films doped with rare earth : application for amplifier optical materials

Rached Salhi

Description

Sous la direction de Jean-luc Deschanvres
Thèse soutenue le 19 juillet 2011: Grenoble
Le développement de couches minces dopées terres rares a suscité un regain d'intérêt au cours des dernières années. Dans ce mémoire nous présentons l'élaboration des couches minces d'yttria (Y2O3), d'alumine (Al2O3) et les couches mixtes Y2O3-Al2O3 dopées erbium. La technique utilisée est le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs organométallique (MOCVD) assisté par aérosol. Un dispositif d'irradiation UV est appliqué afin d'assister le processus de réaction avec une modification de l'hygrométrie de l'air vecteur. Les meilleures propriétés sont obtenues pour les couches déposées sous une forte humidité de l'air vecteur et avec l'assistance UV. Dans ces conditions les couches d'yttria présentent une faible vitesse de croissance, une faible contamination organique et une bonne cristallinité dans la phase cubique de l'yttria. Plusieurs phénomènes d'Up-conversion ont été mis en évidence dans les spectres de fluorescence visible de l'erbium dans l'yttria. Une durée de vie du niveau 4I13/2 de l'erbium de 3.07 ms a été mesurée pour ce matériau après recuit à 800°C. Cette valeur est supérieure à celle obtenue pour l'échantillon déposé sous une faible humidité de l'air et sans l'assistance UV après recuit à 1000°C. Les couches d'alumine déposées dans les conditions optimales présentent des vitesses de croissance élevées et se caractérisent par une grande stabilité thermique, permettant l'élimination complète des impuretés tout en restant amorphe. Enfin, l'étude du système Y2O3-Al2O3 montre que les conditions de dépôt jouent un rôle important sur la composition et les propriétés physico-chimiques des dépôts.
-Yttria
-Alumine
-Couche mince
-Luminescence
-MOCVD
-Hygrométrie et assistance UV
The development of rare earth-doped thin film has gained interest over these last few years. In this report we present the elaboration of erbium-doped yttria (Y2O3), alumina (Al2O3) and yttria-alumina (Y2O3-Al2O3) films. The technique used is aerosol assisted chemical vapor deposition processes with metalorganic precursors (MOCVD). A UV-irradiation device is applied to assist the reaction process with a modification in the air humidity of the carrier gas. The best properties are obtained on thin films grown under high air humidity and with UV-assistance. Under such deposition conditions the yttria films present a low growth rate, low organic contamination and higher crystallisation degree in the yttria cubic structure. Several up-conversion phenomena are point out in the visible fluorescence spectra of the erbium ion in yttria. A lifetime of the 4I13/2 Er3+ level of 3.07 ms was found in this material after annealing at 800°C. This value is higher than that obtained for the sample deposited under low air humidity and without UV assistance after annealing at 1000°C. Alumina film deposited under optimal conditions show high growth rate and was a high thermal stability; allow the complete elimination of impurities while remaining amorphous. At last, the results of system Y2O3-Al2O3 indicates that deposition conditions play an important role on the composition and physicochemical properties of films.
-Yttria
-Alumina
-Thin film
-Luminescence
-MOCVD
-Hygrometry and UV assisted
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI039/document

Sujets

• Alumine
• Couche mince
• Alumina

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 27 Mo

Extrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Electrochimie
Arrêté ministériel : 7 août 2006


Présentée par
Rached SALHI

Thèse dirigée par Jean-Luc DESCHANVRES et
codirigée par Mohieddine FOURATI

préparée au sein du Laboratoire des Matériaux et du Génie
Physique dans l'École Doctorale Ingénierie- Matériaux,
Mécanique, Environnement, Energétique, Procédé,
Production

Effet de l’humidité du gaz
vecteur et de l’assistance UV
dans le procédé aérosol CVD
pour l’élaboration de couches
minces fluorescentes dopées
terre rare.

Thèse soutenue publiquement le 19 Juillet 2011,
devant le jury composé de :
M. Daniel BELLET
Prof Grenoble INP, Président
M. Constantin VALHAS
Dr CNRS CIRIMAT Toulouse, Rapporteur
M. Radhouan CHTOUROU
Prof Université de Tunis, Rapporteur
M. Jean-Luc DESCHANVRES
Dr CR1 LMGP, Membre
M. Mohieddine FOURATI
Prof Ecole Nationale d'Ingénieur de Sfax, Membre
M. Daniel ZAMBON
Prof Université de Clermont –Ferrand, Membre
M. Ramzi MAALEJ
Prof Faculté des Sciences de Sfax, Membre

tel-00625424, version 1 - 21 Sep 2011
TABLE DES MATIERES



Introduction Générale.............................................................................................................- 5 -


Chapitre I : Spectroscopie des terres rares et optique guidee.................................................- 8 -


I- Introduction ........................................................................................................................- 9 -

I-I. Généralités sur la spectroscopie des ions de terres rares..................................................- 9 -
I-I.1 Les Terres Rares.........................................................................................................- 9 -
I-I.1.a Structure électronique des terres rares.................................................................- 9 -
I-I.1.b Dénombrement des niveaux d'énergie...............................................................- 12 -
I-I.1.c Règles de sélection ............................................................................................- 15 -
I-I.1.c Règles de sélection ............................................................................................- 16 -
I-I.2 Interaction matière- rayonnement ............................................................................- 17 -
I-I.2.a Absorption .........................................................................................................- 17 -
I-I.2.b Désexcitations radiatives...................................................................................- 17 -
I-I.2.c Désexcitation non radiatives.............................................................................- 18 -
I-I.2.d Désexcitation radiative après absorbation à partir d’un état excité : phénomène de
Up-conversion ..............................................................................................................- 19 -
I-I.2.e Désexcitation radiative après transfert d’énergie entre deux ions de terre rare :
phénomène Down-conversion......................................................................................- 19 -
I-I.2.f Application de l’interaction matrice rayonnement ............................................- 20 -

I-II. Application des matériaux fluorescents dopées terre rare à l’amplification optique....- 20 -
I-II.1. principe de l’amplification optique........................................................................- 20 -
I-II.2 Choix des matériaux pour l’amplification optique .................................................- 21 -
I-II.2.a Critères concernant l’amplification..................................................................- 21 -
I-II.2.b Critères concernant le guidage.........................................................................- 23 -
I-II.3 Matériaux employés pour l’amplification optique..................................................- 24 -
I-II.3.a Alumine (Al O )...............................................................................................- 25 - 2 3
I-II.3.b Yttria (Y O ) ....................................................................................................- 27 - 2 3

I- Conclusion ....................................................................................................................- 30 -

Bibliographies ..................................................................................................................- 31 -


Chapitre II : Procédé d’élaboration ......................................................................................- 32 -


II- Introduction .....................................................................................................................- 33 -

II-I. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ......................................................................- 35 -
II-I.1 Principes de la CVD................................................................................................- 35 -
i
tel-00625424, version 1 - 21 Sep 2011II-I.2 Multiples mises en œuvre .......................................................................................- 37 -
II-I.3 MO-CVD à source liquide ......................................................................................- 37 -

II-II- Le procédé Pyrosol ou MO-CVD assistée par aérosol................................................- 38 -
II-II.1 Définition...............................................................................................................- 38 -
II-II.2 La pulvérisation .....................................................................................................- 38 -
II-II.2.a Pulvérisation pneumatique..............................................................................- 38 -
II-II.2.b Pulvérisation ultrasonore ................................................................................- 39 -
II-II.3 Décomposition thermique......................................................................................- 40 -
II-II.4 La solution source..................................................................................................- 42 -
II-II.4.a Les précurseurs ...............................................................................................- 43 -
II-II.4.b Les solvants ....................................................................................................- 43 -

II-III- Le procédé CVD photo assisté...................................................................................- 43 -

II-IV- Description du réacteur Pyrosol photo-assisté...........................................................- 44 -
II-IV.1 Présentation du réacteur utilisé ............................................................................- 44 -
II-IV.2 Assistance UV......................................................................................................- 46 -
II-IV.3 Gaz vecteur ..........................................................................................................- 47 -
II-IV.4 Température de surface........................................................................................- 48 -

II- Conclusion.......................................................................................................................- 50 -

II- Bibliographies .................................................................................................................- 51 -


Chapitre III : Dépôts d’yttria dopée erbium .........................................................................- 52 -


III- Introduction....................................................................................................................- 53 -

III-I- Structures cristallines ..................................................................................................- 54 -

III-II- Elaboration.................................................................................................................- 55 -
III-II-1 Les solutions utilisées ..........................................................................................- 55 -
III-II-2 Vitesse de croissance des films............................................................................- 55 -
III-II-3 Morphologie.........................................................................................................- 58 -
III-II-4 Composition des films .........................................................................................- 59 -
III-II.4.a S