Study of thermo-resistive properties of metal oxides thin films for thermal sensors

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علوم بحتة وطبيعية

الملخص

To date, a number of thermal sensing materials have been used to develop thermal sensors, including metals and semiconductors. Among this the latter, vanadium oxide and various thicknesses of zinc oxide are commonly used due to their excellent refractory properties including a high thermal resistance coefficient (TCR).In this context, we propose a study based on TCRs measurement of vanadium oxide and zinc oxide thin films, so to determine the optimal experimental conditions for the fabrication of these layers. The structural analysis using X-Ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy shows that vanadium oxide thin films contain V₂O₅ as a main phase with a secondary phase ofV6O13. While the electrical measurements evidences the presence of a VO₂ phase. XRD shows also that ZnO thin films are of high quality and the crystallinity is thickness dependent. The electrical measurements of films resistance by 04-point method as a function of temperature shows that TCR of vanadium oxide thin films depends on the bias current, contrary to ZnO. At room temperature (27°C), the TCR of Vanadium oxide thin films is2.7 %/°C and 7% /°C, for respectively, 1 µA and 10 µA bias currents and relatively large resistivity of 35 and 367 Ωcm. The TCR is high up to 30%/°C at 47°C corresponding to the metal-insulator transition temperature of VO2 phase. On the other side, ZnO thin films shows a very little TCR of 0.06%/°C for 1200 nm thickness and near Zero TCR for500 and 100 nm thicknesses with a resistivity in the range of 10-2 to 10-4 Ωcm. Further, no hysteresis loop is observed in ZnO thin films. In vanadium oxide thin films, the hysteresis loop is controlled by a threshold temperature that corroborates the initiation of the transition in VO₂ .Finally and according to our results, vanadium oxide nanocomposite active layers are promising candidates for highly sensitive thermal sensors, whereas ZnO is of a great interest to design piezoresistive thin-film sensors.

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082fba53-0b58-4950-94ba-9a66c938ccc1

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ألقاب المؤلفين

[{"name_ar":" Roufaida Bekhti","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"},{"name_ar":" Slimane Lafane","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"Ghania Chourar","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"},{"name_ar":"Yazid Khiradine","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"}]

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English

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Study of thermo-resistive properties of metal oxides thin films for thermal sensors

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ترجمة الملخص

A ce jour, un certain nombre de matériaux de détection thermique ont été utilisés pour développer des capteurs thermiques, y compris des métaux et des semi-conducteurs. Parmi ces derniers, dans cette étude, nous avons utilisé l’oxyde de vanadium et plusieurs épaisseurs d'oxyde de zinc en raison de leurs excellentes propriétés thermo-résistives dont un coefficient de résistance thermique (TCR) élevé. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude basé sur la mesure du TCR des couches minces d’oxyde de vanadium et de situer par conséquence les conditions expérimentales optimales de fabrication de ces couches. L'analyse structurale utilisant la diffraction des rayons X (DRX) et la spectroscopie Raman montre que les films minces d'oxyde de vanadium contiennent du V₂O₅ comme phase principale avec une phase secondaire deV6O13. Tandis que les mesures électriques mettent en évidence la présence d'une phase VO₂ . La DRX montre également que les films minces de ZnO sont de haute qualité et que la cristallinité dépend de l'épaisseur. Les mesures électriques de résistance des films par la méthode des 04 points en fonction de la température montrent que le TCR des films minces d'oxyde de vanadium dépend du courant de polarisation, contrairement au ZnO. A température ambiante (27°C), le TCR des films minces d'oxyde de vanadium est de 2,7%/°C et 7% /°C, pour respectivement, des courants de polarisation de 1 μA et 10 μA et une résistivité relativement importante de 35 et 367 Ωcm. Le TCR est élevé jusqu'à 30%/°C à 47°C correspondant à la température de transition métal-isolant de la phase VO2. D'un autre côté, les couches minces de ZnO présentent un très faible TCR de 0,06 %/°C pour une épaisseur de 1200 nm et un TCR proche de zéro pour des épaisseurs de 500 et 100 nm avec une résistivité comprise entre 10-2 et 10-4 Ωcm. En outre, aucune boucle d'hystérésis n'est observée dans les films minces de ZnO, tandis que dans les films minces d'oxyde de vanadium, la boucle d'hystérésis est contrôlée par une température seuil de chauffage en relation avec l'initiation de la transition isolant-métal du VO₂ . Finalement et d'après nos résultats, les couches actives nano composites d'oxyde de vanadium sont des candidats prometteurs pour les capteurs thermiques hautement sensibles, tandis que le ZnO présente un grand intérêt pour la conception de capteurs piézorésistifs à couche mince.

كلمات الباحثين

Thermo-resistive ( properties) Metal oxides Thin films Thermal détection thermique ( matériaux) capteurs thermiques matériaux semi-conducteurs Oxyde de vanadium Oxyde de zinc résistance thermique

إشراف وإعداد

الإشراف

Slimane Lafane, Yazid Khiradine

الإعداد

Roufaida Bekhti, Ghania Chourar

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