Etude des mécanismes de conduction et de photoconduction dans les cristaux de niobate de lithium purs et dopés

Abstract

En raison de ses propriétés piézo-électriques, électro-optiques et optiques non linéaires intéressantes, le niobate de lithium LiNbO3 est devenu un des matériaux ferroélectriques les plus utilisés dans les applications acousto-optiques et optoélectroniques. Ils sont largement utilisés dans les systèmes optiques tels que les modulateurs électro-optiques pour les télécommunications à haut débit (jusqu'à 40 Gbits/sec), le stockage holographique des informations,…Mais son utilisation pour certaines applications est rapidement limitée par sa faible résistance à l’endommagement optique en comparaison avec d’autres cristaux non linéaires, spécialement lorsqu’on a besoin d’augmenter la puissance lumineuse nécessaire au dispositif. Cet endommagement est généralement attribué aux propriétés photoréfractives du matériau même dans les composés nominalement purs. Cet effet photoréfractif est lié à la création et au déplacement de porteurs de charges photoinduits qui sont à l’origine de l’apparition d’un champ électrique, entrainant par effet électro-optique une variation de l’indice.Ce travail de thèse nous a consisté en l’étude des phénomènes de conduction et de photoconduction dans les cristaux de niobate de lithium. Nous avons étudié les techniques expérimentales de mesure de ces deux propriétés en fonction de divers paramètres physiques du niobate de lithium que sont la composition, le dopage et les traitements post-croissances de ces cristaux. Pour mettre en évidence le lien entre les propriétés optiques et électriques étudiées avec ces propriétés physiques du niobate de lithium, le choix a été fait de l’étude d’un cristal congruent pur utilisé comme référence, d’une série de cristaux dopés zinc à 1,95% et 7,5% ZnO, et de deux séries de cristaux dopés fer, à 0,03% et 0,05% ayant subi différents processus d’oxydation ou de réduction. Tous ces cristaux proviennent d’une croissance Czochralski.Dans le présent travail, nous avons effectué à température ambiante des mesures par spectroscopie d’absorption ultra-violet-visible sur deux séries de cristaux de niobate de lithium dopés fer à 0,03% et 0,05%. Ces cristaux présentent une coloration rouge d’intensité plus ou moins importante en fonction du traitement et du dopage. Après une analyse des spectres, nous avons constaté une augmentation d’un pic d’absorption à 483 nm lié à Fe3+ tandis que les cristaux réduits présentent une bande d'absorption élevée aux longueurs d’onde comprises entre 500 et 650 nm. Les concentrations des ions Fe2+ et Fe3+ ainsi que le ratio Fe2+ /Fe3+ de nos cristaux ont pu être déterminées à l’aide des ajustements de ces spectres d’absorption.Nous avons mis au point des bancs de mesures permettant la mesure de la conductivité électrique et la mesure du courant photovoltaïque. Pour obtenir la conductivité, la méthode utilisée est basée sur des mesures courant-tension et courant-température, ainsi que sur le calcul de l’énergie d’activation du cristal étudié via la loi d’Arrhénius. Nous avons ainsi mesuré la conductivité électrique sur un cristal de niobate de lithium congruent sur ce même type de cristal, et les courants photovoltaïques sur la série de cristaux dopés zinc. Nous avons pu obtenir ces valeurs de courant photovoltaïque bien que les courants photoinduits produits par cet effet sont très faibles (de l’ordre de nA) en fonction de la densité de puissance d’illumination reçue par le cristal qui a été définie par une mesure préliminaire de la taille du faisceau laser obtenue par la « méthode de couteau ». La dépendance de la densité du courant photovoltaïque en fonction de la densité de puissance d’illumination nous a permis d’évaluer les coefficients photovoltaïques correspondants au cristal congruent et à la série dopée zinc. Il a été constaté que les résultats des coefficients photovoltaïques en fonction de la concentration en zinc obtenus présentent le même comportement que les coefficients électro-optiques en fonction de la concentration en zinc. Nous avons expliqué cela par le rôle prépondérant des ions niobium en antisite que remplacent les ions zinc lorsqu’on augmente leur concentration dans le cristal et le rôle des lacunes dont le taux varie afin de compenser la différence de charge électrique induite par le dopant.Nous avons également mis au point un banc de mesure permettant la mesure de l’endommagement optique basée sur la méthode pseudo-Zscan. Cette méthode permet de mesurer en dynamique la déformation d’un faisceau laser dans un cristal placé au point focal suite à une variation photoinduite de l’indice de réfraction. La photoconductivité a été mesurée sur les mêmes séries de cristaux utilisés en spectroscopie. Ainsi après analyse des résultats expérimentaux montrant la distorsion du faisceau laser en fonction de la durée d’illumination, il a été constaté que le temps de réponse des cristaux dépend directement de la concentration absolue en fer mais également de son état de valence et donc de la concentration relative Fe2+ /Fe3+. Nous avons pu également établir la variation de la photoconductivité en fonction de la densité de puissance d’illumination pour les deux séries de cristaux 0,03% et 0,05% dopés fer. Nous avons observé une diminution de la photoconductivité pour les cristaux oxydés relativement à celle des cristaux réduits.Cette étude nous a permis de faire une synthèse des propriétés de conduction et de photoconduction dans le niobate de lithium. Elle a permis également de mieux comprendre ces phénomènes en vue de l’optimisation de celui-ci dans les dispositifs. Par ailleurs nous avons pu dans la partie expérimentale de ce travail développer et mettre au point de nombreuses expériences et mesures que ce soit dans la phase de préparation des échantillons que dans l’obtention des propriétés recherchées du niobate de lithium. Cette étude devra être poursuivie pour obtenir l’ensemble de ces propriétés avec des cristaux ayant les dimensions adéquates pour faire les mesures de conduction et de photoconduction dans une même série.