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Thèse Année : 2020

Conducting ceramics based on ZnO co-doped by (Al, Ti, Mg) : microstructure, electronic active defects and electrical properties

Céramiques conducteurs à base de ZnO co-dopés (Al,Ti, Mg) : structure, défauts électroniques actifs et propriétés électriques

Résumé

ZnO based ceramics with appropriate doping elements show excellent electrical and optical properties such as high exciton binding energies, a modulated optical transparency and high electrical conductivities. Therefore, ZnO based conducting ceramics have been extensively investigated in the aim of their application as resistors, visitors, gas sensors, transparent electrodes, solar cell windows, piezoelectric, electro-optical and thermoelectric devices. The high conductivity of ZnO ceramics up to 0.1MS·m-1 is closely related to the doping elements along with the ceramic microstructure and the processing conditions with particular effects of grain boundaries, crystalline structure and structural disorder within the ceramics. Thus, the present thesis is devoted to the fabrication by sintering under defined conditions (sintering atmospheres, processes) of ZnO based ceramics co-doped by (Al, Ti, Mg) , the investigations and deep analysis of their related properties including crystalline structure, micro-structure and the electrical behavior. Exhaustive studies were developed on the doped ceramics by using structural methods (XRD, Raman), microscopy (TEM, SEM) and magnetic resonance (EPR, NMR) probing the local order and electronic active defects. The conductivity is adjusted by the nature of the structure influenced by the doping elements, the sintering atmosphere, and the sintering method. The correlation "Preparation - Structure - Conductivity" has been established to pave the way for the potential technological applications of highly conducting ZnO-based ceramics.
Les céramiques conductrices à base de ZnO suscitent un important intérêt pour leurs applications comme varistances, capteurs de gaz, électrodes transparentes, dispositifs piézoélectriques, électro-optiques ou thermoélectriques. Le dopage de ZnO confère aux céramiques formées des propriétés électriques et optiques remarquables caractérisées par une transparence optique modulée, des énergies de liaison élevées pour les excitons, et des conductivités électriques atteignant 0.1 MS.m-1. La grande conductivité de ZnO est intimement liée aux éléments dopants, à la microstructure des céramiques et aux conditions de synthèse et traitements. Les joints de grains, la structure cristalline, le désordre structural et les défauts électroniques contribuent au comportement électrique des matériaux. Le présent travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et porte sur la mise en œuvre de méthodes de fabrication de céramiques à base de ZnO co-dopées par des éléments (Al, Ti, Mg) et l'étude de leurs caractéristiques physiques incluant la structure cristalline, la microstructure et le comportement électrique. Ainsi, des études exhaustives ont été menées par des méthodes structurales (RX, Raman), microscopies (MET, MEB) et de résonance magnétique (RPE, RMN) sensible à l'ordre local et aux défauts électroniques actifs. La conductivité est ajustée par la nature des éléments dopants, l'atmosphère de frittage et les méthodes de fabrication par solutions solides ou par frittage flash (SPS). La corrélation "Préparation - Structure - Conductivité" a été établie pour la réalisation de céramiques à base de ZnO avec de fortes conductivités ouvrant la voie à des applications technologiques potentielles.
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Dates et versions

tel-02930311 , version 1 (04-09-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02930311 , version 1

Citer

Qianying Sun. Conducting ceramics based on ZnO co-doped by (Al, Ti, Mg) : microstructure, electronic active defects and electrical properties. Materials. Le Mans Université; Institute of ceramics (Shanghai, Chine), 2020. English. ⟨NNT : 2020LEMA1014⟩. ⟨tel-02930311⟩
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