Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

La miniaturisation des appareils électroniques et la multiplication de leur fonctionnalités explique l'intérêt croissant porté aux microsources d'énergie telles que les microbatteries au lithium. Ces dernières sont principalement conçues pour une utilisation rechargeable, mais des systèmes non rechargeables peuvent également êtes envisagés pour certaines applications. Actuellement, la principale limitation de ces systèmes est leur capacité surfacique, n'excédant pas 200 µAh.cm-2. Afin d'obtenir une forte capacité surfacique, nous nous sommes intéressés à CuO, un matériau réagissant avec le lithium suivant un mécanisme de conversion, et présentant une capacité volumique théorique élevée (425 µAh .cm-2.µm-1). Des couches minces de CuO ont ainsi été préparées par pulvérisation radiofréquence à cathode magnétron sous atmosphère réactive (Ar + O2). L'influence des paramètres de dépôts (concentration d'oxygène, pression totale, température des substrats, distance cible-substrat, configuration de la cible) sur leurs propriétés chimiques, morphologiques et structurales a été étudiée. Ces dernières ont également été corrélées à leurs performances électrochimiques, obtenues avec un électrolyte liquide ou un électrolyte solide.

Les équipes micro-capteurs (IM2NP) et capteurs de gaz (LMMA) développent des capteurs à base de couches minces de CuxO et étudient leurs réponses électriques sous O3. Les travaux de cette thèse ont pour but de mieux comprendre l’interaction solide-gaz à l’échelle atomique en simulant l’adsorption de l’O3 sur les surfaces (111) du CuO et du Cu2O. Pour cela nous avons utilisé la DF T (Density Functional Theory) dans le cadre de deux approximations de la fonctionnelle : la LDA (Local Density Approximation) et la GGA (Generalized Gradient Approximation).Pour le CuO, la correction de Hubbard (DF T + U) a été également prise en compte pour reproduire correctement les comportements semiconducteuret antiferromagnétique du matériau. Tous les calculs ont été menés avec le code SIESTA et montrent que pour les deux matériaux, l'ozone s’adsorbe sur la surface sans défauts, sans se dissocier, induisant un dopage p du matériau. Ceci est en accord avec la diminution de la résistance électrique mesurée expérimentalement sous ozone. Ensuite, l’ozone se dissocie en formant une molécule de O2 et un atome d’oxygène qui restent adsorbés. Cette étape ne semble pas modifier le dopage. Par contre lorsque le capteur n’est plus en présence d'O3, la molécule d’O2 désorbe et le dopage est annihilé. Dans ce mécanisme les énergies mises en jeu sont du même ordre de grandeur pour CuO ou pour Cu2O (allant de −3 eV à −1 eV). Dans l’objectif de développer un capteur de gaz, le CuO, plus facile à obtenir par les techniques de dépôt courantes en microélectronique, semble donc être plus pertinent que le Cu2O, qui a une réponse similaire (voire moindre) mais dont il est difficile d’obtenir une phase pure. / Micro-sensors (IM2NP) and gas sensors (LMMA) team develop sensors based on CuO and Cu2O thin layers and study their electrical responses to O3. The aim of this thesis is a better understanding of the solid-gas interactions at the atomic scale by simulating the adsorption of O3 molecule on the (111) surfaces of CuO and Cu2O. Simulations were performed using the DF T (Density Functional Theory) within two functional approximations : the LDA (Local Density Appriximation) and GGA (Generalized Gradient Approximation). In the case of CuO, the Hubbard correction (DF T + U) was taken into account to properly reproduce the semiconductor and antiferromagnetic behaviors of the material. All calculations were performed with the SIESTA code and show that for the CuO as for Cu2O, O3 is adsorbed on the defect-free surface, without dissociating inducing a p-doping of the material. This observation is consistent with the decrease in electrical resistance measured experimentally under ozone. In a second stage ozone dissociates into a molecule of O2 and an oxygen atom which remains adsorbed. This step does not appear to change the doping. However, when the sensor is no longer in the presence of ozone, O2 molecule is desorbed and doping disappears. In this mechanism, the energies involved during the adsorption or the dissociation of ozone are of the same order of magnitude for CuO or Cu2O (ranging from −1 eV to −3 eV). Aiming to develop a gas sensor, and since the CuO material is easier to obtain by standard deposition techniques (RF sputtering), it seems to be more appropriate than the Cu2O, which has a similar response (even lower) but is more difficult to synthesize in a pure phase.

L’objectif de ce travail a été d’étudier des matériaux semiconducteurs de type p comme photocathode pour la réduction de protons dans le cadre de la photoélectrolyse de l’eau. Ainsi, deux types de matériaux ont été étudiés, des oxydes de cuivre, Cu2O et CuO, et des matériaux à structure pérovskite (ATiO3, A=Ca, Ba, Sr) dopées au fer et à l’azote. Les oxydes de cuivre ont été synthétisés par deux voies différentes afin d’obtenir des films : par voie sol-gel couplée au dip-coating et par électro-dépôt et anodisation du cuivre. La photocorrosion des oxydes de cuivre en milieu aqueux et sous illumination a été mise en évidence. La protection des oxydes de cuivre via une hétérojonction avec un semiconducteur de type n (TiO2 ou BaTiO3) a révélé une meilleure stabilité des électrodes au cours du temps ainsi que des photocourants élevés grâce à une composition et une architecture originales. Les pérovskites ont été synthétisées par voie sol-gel couplée au dip-coating. Ce sont des semiconducteurs de type n ; ainsi l’étude du dopage au fer, pour substituer le titane, et à l’azote, pour substituer l’oxygène, a mis en évidence un changement de nature de type n à type p, ainsi qu’une diminution de la largeur de bande interdite. Les propriétés physico-chimiques de toutes les électrodes synthétisées ont été caractérisées (structure cristalline, morphologie, propriétés optiques et électrochimiques) et discutées en fonction de leur composition et des paramètres de synthèse. Ces travaux ont permis d’élaborer des photocathodes originales, performantes et stables au cours du temps (oxydes de cuivre protégées), et de démontrer l’utilisation de pérovskites dopées pour cette application. / The aim of this work was to study p-type semiconducting materials as photocathodes for protons reduction into H2 for water splitting application. Two types of materials have been studied: copper oxides, Cu2O and CuO, and materials with a perovskite structure (ATiO3, A=Ca, Ba, Sr) doped by iron and nitrogen. Copper oxides have been synthetized by two different ways in order to obtain films: sol-gel process coupled with dip-coating and copper plating and anodization. Copper oxides photocorrosion has been highlighted in aqueous environment and under illumination. Their protection via a heterojunction with an n-type semiconductor (TiO2 and BaTiO3) improved electrodes stability over time and photocurrents, thanks to original composition and architecture. Perovskites have been synthetized by sol-gel process coupled with dip-coating. They are well-known as n-type semiconductors; so the study of doping with iron, to substitute titanium, and with nitrogen, to substitute oxygen, shows a change from n-type to p-type, and a reduction of the band gap. The physical and chemical properties of the synthetized electrodes were characterized (crystal structure, morphology, optical and photoelectrochemical properties) and discussed according to the composition and synthesis parameters. This work enables to obtain original, efficient, and stable over time, photocathodes (protected copper oxides) and to demonstrate the potential use of doped perovskites for this application.

Des films minces d’oxydes de cuivre (Cu2O, Cu4O3 et CuO) ont été déposés à température ambiante sur des substrats en verre et en silicium par pulvérisation magnétron réactive. Une attention particulière a été portée à l’influence des conditions de synthèse (débit d’oxygène et pression totale) sur la structure et l’orientation préférentielle des dépôts. La pression totale est le paramètre principal influençant la texture des films de Cu2O et de Cu4O3. En revanche l’orientation préférentielle des films de CuO est contrôlée par le débit d’oxygène. Pour des films de Cu2O et de Cu4O3, un phénomène de croissance épitaxique locale (CEL) a été mis en évidence. Il résulte de l’utilisation d’une première couche qui joue le rôle d’une couche de germination lors du processus de croissance. Ainsi, les films peuvent croître avec une texture donnée indépendamment de leurs conditions de synthèse. Cet effet de CEL a été mis à profit pour élaborer des films biphasés (Cu2O + Cu4O3) qui présentent une microstructure originale. L’augmentation de la transmittance optique et du gap optique de films de Cu2O a été rendue possible par des traitements thermiques dans l’air qui permettent de diminuer la densité de défauts dans les films. Finalement, les propriétés optiques et la structure électronique des oxydes de cuivre qui ont été calculées par la méthode GW sont en accord avec des résultats expérimentaux obtenus par absorption optique, photoémission et spectroscopie de perte d’énergie des électrons. / Copper oxide (Cu2O, Cu4O3 and CuO) thin films have been deposited on unmatched substrates by sputtering at room temperature. The influence of oxygen flow rate and total pressure on the film structure and preferred orientation has been studied. The total pressure is a relevant parameter to control the texture of Cu2O and Cu4O3 films, while the oxygen flow rate is effective to tune the preferred orientation of CuO films. Local epitaxial growth, where epitaxial relationship exists in columns of sputtered films, has been observed in Cu2O and Cu4O3 films by using a seed layer. The seed layer will govern the growth orientation of top layer via the local epitaxy, independently of the deposition conditions of top layer. Unusual microstructure that both phases have the vertically aligned columnar growth has been evidenced in biphase Cu2O and Cu4O3, which may relate to the local epitaxial growth of Cu2O. The lower resistivity than that in single phase films has been observed in this biphase film. Annealing in air can increase the transmittance of Cu2O films in visible region by the reduction of the impurity scattering, while the optical band gap is enlarged due to the partial removal of defect band tail. The optical properties and electronic structure of copper oxides calculated by GW approach with an empirical on-site potential for Cu d orbital, are in good accordance with experimental results from optical absorption, photoemission and electron energy loss spectroscopies