Fabrication et Caractérisation des matériaux (BaTiO 3

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1 Fabrication et Caractérisation des matériaux (BaTiO 3 ) pour l optoelectronique Daniel Hernández-Cruz et Roger A. Lessard Département de physique, Centre d optique, Photonique et Lasers Université Laval, Québec, G1K 7P4, Canada. 1 Daniel Hernandez Cruz dahec1@phy.ulaval.ca

2 Introduction Le BaTiO3 est un matériel prometteur dans le domaine des guides d onde, du fait de sa constante diélectrique très élevée. Son activité ferroélectrique peut être utilisée dans une grande variété d applications telles que les composants électroniques actifs et passifs. Les films de BaTiO3 ont aussi un grand potentiel dans les applications optiques et optoélectroniques. 2

3 Introduction Objectifs : Fabriquer des couches minces de BaTiO3 bien orientée sur des substrats de MgO (100) et de Si (100) (pour des applications dans l optoélectronique), par une méthode à bas coût et facile à développer telle que la décomposition métal-organique (MOD) et le procédé Sol-Gel. Caractériser les couches, déterminer les propriétés texturales, optiques, électriques et diélectriques, et étudier leur interdépendance. 3

4 Synthèses de Ba-Ti-alkoxide précurseurs Titane Titanium Isopropoxide Titanium Methoxide Titanium Dimethoxy-Dineodecanoate* 4 Baryum Barium 2-ethylhexanoate Barium Acetate Solvants, Agents Acetyl acetone Methanol Xylene Neo-decanoic acid Acid acetic

5 Préparation de film de BaTiO 3 (Traitement thermique) Spin-Coating Déposition Pyrolyse Annealing BaTiO 3 film Déposition Multicouche Conditions de Fabrication Vit/tps: 2500 rmp / 15 s Dépôt: 3 6 couches Pyrol: 500 C / m Anne: C / 30 /45 min Épaisseur: nm/couche 5

6 Composition des films Ba 3d Épaisseur: XPS & RBS 665 nm Ba/Ti 0.9 Intensity (arb. units) O 1s Ti 2p C 1s Binding energy (ev) Conditions: ESCALAB MkII V.G. Scientific MgK α X- rays Binding energy: Ba 3d on 782 ev, Ti 2p on 466 ev, O 1s on 532 ev, C 1s on 287 ev. RBS Conditions: 2.8-MeV beam of 4 He + ions 6 Spectre XPS de BaTiO 3 sur un substrat de Si (100) Spectre RBS de BaTiO 3 sur un substrat de Si (100).

7 Structure et texture cristalline MgO(100)Kβ MgO(100)Kα BTO/MgO pyrolyse 500 O C-10min annealing 700 O C-30min Siemens D (101)(110) BTO/Si pyrolyse 500 O C-10min annealing 700 O C-30min Siemens D5000 c o u n t s (001)(100) (101)(110) (111) (112)(211) a n g l e 2 θ c o u n t s (001)(100) (111) (200) (300) Si(400) (210) a n g l e 2 θ (211) (202)(220) Spectre DRX de BaTiO 3 sur un substrat de MgO (100) Spectre DRX de BaTiO 3 sur un substrat de Si (100) 7

8 Morphologie BaTiO 3 /MgO 1 et 3 couches BaTiO 3 /Si 1 et 3 couches 8

9 Morphologie AFM Images 9 BaTiO3/Si BaTiO3/MgO

10 Propriétés Optiques Indice de réfraction Transmission (%) Bare M go (100) BaTiO 3 /M go 3 layers BaTiO 3 /M go 6 layers T(%) W avelength Wavelenth Refraction Index Extinction Coefficient 3,0 0,04 2,5 0,03 2,0 Refraction index 1,5 1,0 BaTiO3 3 layers BaTiO3 6 layers extinction coefficient 0,02 0,01 0,5 0,0 0, W avelength W a v e le n g th n (630nm) 1.85 ± 0.05 k (630nm) ±

11 Guidage par Prime Montage et théorie Indice effective n e = n p sinθi sin A + arcsin n p Angle d incidence n e θ i = arcsin np sin arcsin A np 11 Wf Énergie Stockée n f 2 ( β ) / Wp = τ fpg u n 2 p 2 2

12 Modes Guidés Théorie - Expérimental Wf(β)/Wp Wf(β)/Wp 12 n n Paramètres Nf= 2 Ns=1.72 Np=2.58 D=3000 S=1000 Lambda=6320 n e 0 = θ 0 60 = Paramètres Nf= 2 Ns=1.72 Np=2.58 D=6000 S=1000 Lambda=6320 n e 0 = n e 1 = θ 0 = θ 1 = Réflectivité (u.arb.) Réflectivité (u.arb.) angle d'incidence angle d'incidence mode 0 TE épaisseur 300nm n f =2, n s =1.7 mode 0 TE mode 1 TE épasisseur 600nm n f =2, n s =1.7

13 Résumé et Conclusions Fabrication par Procédé Sol-Gel. Substrats utilisés: MgO (100) et Si (100). Deux différentes températures d`annealing. Dépôt Multicouche. Épaisseur 655 nm ( 110 nm par couche) Stœchiométrie (Ba:Ti 0.9) Phase Structurale : Tétraédrique Orientation Aléatoire: principales (110)(101) et (100)(001) 13 Daniel Hernandez Cruz dahec1@phy.ulaval.ca

14 Pas de déviation distinctive pour la stœchiométrie donnée pour les deux méthodes de spectroscopie, Cette étude (de la structure et de la composition) nous aider à mieux comprendre l interdépendance des propriétés électriques et optiques, Améliorer les propriétés des composants optiques: Guide d onde, Mémoires Dynamiques à Accès Aléatoire (DRAMs). Perspectives Caractérisation Optique et électrique (propriétés). Comparaison avec des films déposés par d autres méthodes. Caractérisation comme guide d onde (guidage par réseau). 14 Daniel Hernandez Cruz dhernand@phy.ulaval.ca