Films minces de VO2 traités en solution et leurs applications optoélectroniques

Depuis sa découverte en 1959, le VO2 a suscité un intérêt significatif en raison de sa transition métal-isolant (MIT) à température ambiante (68°C), entraînant des changements notables dans ses propriétés. Ces caractéristiques en font un candidat prometteur pour les fenêtres intelligentes, les dispositifs de mémoire et les capteurs thermiques/optiques. Bien que des films de VO2 de haute qualité soient souvent produits par des méthodes comme la pulvérisation cathodique et le dépôt laser pulsé, ces techniques sont coûteuses. En revanche, la méthode sol-gel est moins chère et évolutive, mais elle présente des défis tels qu'une densité de défauts élevée. Optimiser ce processus est essentiel pour améliorer les films et leurs propriétés MIT.Les dispositifs de mémoire et les photodétecteurs sont des domaines clés pour le VO2. Pour les dispositifs de mémoire, les exigences incluent un changement d'état stable, des vitesses d'écriture/effacement élevées, et une fiabilité à long terme. Pour les photodétecteurs, l'accent est mis sur les taux de réponse rapides.Sur la base de cette analyse, j'ai principalement mené les travaux suivants dans cette thèse de doctorat :(1) Des films de VO2 ont été préparés par la méthode sol-gel, avec leurs propriétés MIT contrôlées par l’ajustement des paramètres de préparation et de recuit. De plus, un dopage au tungstène a été utilisé pour abaisser la température de transition de phase des films de VO2 à environ 50 °C. Ces efforts ont jeté les bases pour le développement ultérieur de dispositifs de mémoire et de photodétecteurs. (2) Des dispositifs de mémoire ont été fabriqués en utilisant des films de VO2 présentant une large largeur d'hystérésis (ΔTc). La fonction mémoire a été obtenue en créant et en effaçant des motifs métalliques sur le film à l’aide d’un faisceau laser focalisé. En plus de l'effacement complet des motifs métalliques en abaissant la température de base, nous avons utilisé l'effet de refroidissement d'une pointe de microscope à force atomique (AFM) pour réaliser une érosion partielle, permettant ainsi un réglage fin de la résistance. (3) Des films de VO2 ont été couplés avec des réseaux de nanodisques d'or (NDs). La puissance laser nécessaire pour induire la MIT a été réduite jusqu'à 30 % en présence de NDs d'or. Des simulations numériques ont montré que ce mécanisme d'amélioration provient principalement du modèle dipolaire localisé du champ électromagnétique entourant les NDs, qui pénètre profondément et est absorbé par le VO2. En revanche, des modèles analytiques ont révélé que le transfert de chaleur direct des NDs d'or vers le VO2 ne suffit pas, à lui seul, à expliquer la transition observée à des niveaux de puissance inférieurs. (4) Des photodétecteurs infrarouges à ondes courtes (SWIR) basés sur le VO2 ont été fabriqués en couplant des films de VO2 dopés au tungstène avec des nanorods d'or colloïdaux (NRs). Comparé au dispositif de contrôle sans NRs d'or, notre dispositif Au NRs/VO2 a montré une réduction de 51 % de la puissance requise pour déclencher la MIT, ce qui le rend très adapté aux applications sous faible intensité lumineuse. Par exemple, lorsqu'il a été exposé à un laser de λ = 1,5 µm avec une puissance de 131,2 µW, sa photoréactivité a été multipliée par sept par rapport au dispositif de référence. De plus, en comparaison avec des photodétecteurs basés sur la phase monoclinique isolante du VO2 rapportés dans la littérature, les dispositifs actuels ont montré un temps de réponse exceptionnellement rapide, jusqu'à 7 ms. Ces résultats remarquables ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement de détecteurs SWIR efficaces et à faible consommation d'énergie.