Projet ANR-13-BS08-0010 – ZnO-typé-p : Stabilisation d’oxydes de zinc de type p avec ZnO2 pour précurseur
Programme : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Stéphane JOBIC (Institut des Matériaux Jean Rouxel)
Partenaires : Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel; Institut des Sciences Chimiques de Rennes; Institut des Sciences Chimiques de Rennes
Montant : 384592.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Stabilisation d'oxydes de zinc de type p avec ZnO2 pour précurseurLa stabilisation de ZnO de type p de structure würtzite, a été récemment réalisée par ammonolyse à basse température de ZnO2. La nature des porteurs de charges a pu être identifiée par photo-électrochimie, spectroscopie d’impédance complexe, et spectroscopie pompe-sonde. Fait exceptionnel, la conductivité de type p s’avère être stable dans le temps sur des périodes d’au moins deux ans et demi dans les conditions ambiantes de stockage.
ObjectifsLa stabilisation d’un oxyde de zinc de type p pourrait ouvrir la voie à la fabrication de composants électroniques inorganiques (diodes, transistors…) basés sur des homo-jonctions transparentes n-ZnO/p-ZnO:N qui pourrait progressivement conduire au remplacement, en optoélectronique, du nitrure de gallium GaN très coûteux de mise en œuvre.
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Résumé de la soumission : Dans le cadre de travaux à caractère fondamental menés en collaboration entre l’Institut des Matériaux Jean Rouxel et l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, la stabilisation d’un mono-oxyde de zinc « ZnO » de type p de structure würtzite, a été récemment réalisée par ammonolyse à basse température du peroxyde de zinc ZnO2 ( J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 464). La nature des porteurs de charges a pu être identifiée, et ce sans ambiguïté, par photo-électrochimie, spectroscopie d’impédance complexe, et spectroscopie pompe-sonde. De prime abord, la stabilisation de porteurs de type p résulterait d’une forte non-stœchiométrie en zinc avec coexistence d’O2-, de paires (O2)2- et de nitrures dont la forme chimique exacte reste encore à déterminer (eg. N3-, NH2-, NH2-, …). Fait exceptionnel, la conductivité de type p s’avère être stable dans le temps sur des périodes d’au moins deux ans et demi dans les conditions ambiantes de stockage. Il s’agit là d’un résultat de première importance compte tenu des différentes controverses relatives à l’existence potentielle d’un tel matériau. Notons que la stabilisation d’un tel matériau pourrait ouvrir la voie à la fabrication de composants électroniques inorganiques (diodes, transistors…) basés sur des homo-jonctions transparentes n-ZnO/p-ZnO:N qui pourrait progressivement conduire au remplacement, en optoélectronique, du nitrure de gallium GaN très coûteux de mise en œuvre. L’objectif du présent projet vise à reproduire la synthèse d’un tel oxyde de zinc dopé à l’azote et de le caractériser en profondeur afin de mieux comprendre l’origine de la conductivité de type p, la grande stabilité de ces porteurs, et l’impact des défauts présents sur les propriétés électriques et optiques. Nous chercherons ensuite à déposer ce matériau en couche mince avec l’objectif de réaliser à terme une homo-jonction n-ZnO/p-ZnO :N. Parallèlement, nous verrons à générer d’autres variétés de « p-ZnO ». Des études récentes menées au laboratoire ont en effet permis de mettre en évidence la possibilité de stabiliser de l’oxyde de zinc très fortement déficitaire en cations (jusqu’à 20% de lacunes) en utilisant ZnO2 pour précurseur. Ces lacunes cationiques peuvent être partiellement ou totalement comblées par d’autres cations ouvrant la voie à de multiples substitutions pour accéder à une conductivité de type p. Cette substitution cationique pourra évidement s’accompagner d’une substitution anionique O/N.
Résultats : L’objectif du présent projet vise à reproduire la synthèse d’un tel oxyde de zinc dopé à l’azote (J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 464) et de le caractériser en profondeur afin de mieux comprendre l’origine de la conductivité de type p, la grande stabilité de ces porteurs, et l’impact des défauts présents sur les propriétés électriques et optiques. Ces travaux sont en cours (Scientific Reports, 2015, accepté). Nous chercherons ensuite à déposer ce matériau en couche mince avec l’objectif de réaliser à terme une homo-jonction n-ZnO/p-ZnO :N. Parallèlement, nous verrons à générer d’autres variétés de « p-ZnO ».
Perspectives : -
Publications et brevets : Unravelling the origin of the giant Zn deficiency in wurtzite type ZnO nanoparticles, A. Renaud, L. Cario, X. Rocquelfelte, T. Das, P. Deniard, E. Faulques, F. Cheviré, F. Tessier, S. Jobic 
Scientific Reports, accepté, 2015