Development of the thin film solid solutions of perovskite based transparent conductors - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Development of the thin film solid solutions of perovskite based transparent conductors

Développement des solutions solides en couches minces de conducteurs transparents à base de pérovskite

Résumé

This thesis was dedicated to the development of La/Sr solid solution thin films of perovskite oxide transparent conductors. We have successfully accomplishedthe growth of thin films of Lanthanum Strontium Vanadium oxide (LSVO) with range of diverse compositions. The LSVO thin film samples have been subjected to a thorough structural characterization, which has provided insights into their high crystalline quality. By conducting exhaustive chemical characterizations, such as X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), the oxidation states of the Vanadium have been determined, therefore offering valuable insights into their evolution under various atmospheric conditions.Significantly, it has been established that Lanthanum plays an essential role in the stabilization of the thin films from surface oxidation, which is frequently observedin thin films of Strontium Vanadate (SVO). The examination of strain engineering has shed light on its influence on the physical characteristics of LSVO thin films.It is worth noting that the application of compressive strain has been observed to increase the level of electronic correlations within the material, consequently leadingto an increase in effective mass. Nevertheless, the introduction of Oxygen vacancies has a negative impact on the electrical properties when the material is grown on a Strontium Titanate (STO) substrate. This emphasizes the superior appropriateness of using a Lanthanum Strontium Aluminium Titanate (LSAT) substrate in order to achieve improved electrical characteristics. Moreover, the growth of LSVO solid solutions on LSAT substrates has revealed intriguing optical characteristics, specifically a transparent region at shorter wavelengths in comparison to samples deposited on STO substrates. After considering the impact of Lanthanum doping and strain engineering on the properties of LSVO thin films, it has been determined that the composition of La0.33Sr0.67VO3, when deposited on LSAT, exhibits the most favorable characteristics as a Transparent Conductive Oxide (TCO). The introduction of Lanthanum serves as a stabilizing factor against surface oxidation, while simultaneously improving good optical and electrical characteristics.The achievement of synthesizing thin films of Lanthanum Strontium Chromium oxide (LSCO) solid solution with diverse compositions has yielded significant findings. By means of growth optimization, we were able to attain crystalline structures of superior quality and enhanced conductivity. The presence of Strontium appeared to induce a Cr6+ oxidation state, indicating a potential surface instability to overoxidation, especially at higher Sr levels. Lanthanum doping effectively mitigated this instability, observed by the introduction of Cr3+. The resistivity at room temperature exhibited a notable decrease from La-rich composition (La0.66Sr0.34CrO3) to Sr-rich compositions (La0.16Sr0.84CrO3), which aligns with the results reported in previous works. The transparent character of the material was clearly observable, exhibiting a transparency level exceeding 50% throughout the visible spectrum. It is worth mentioning that the composition La0.33Sr0.67CrO3 has emerged as the optimal choice due to its unique combination of surface stabilization, exceptional electrical and optical properties. Consequently, this composition holds great promise as a p-type material for transparent conducting oxides. Furthermore, La0.33Sr0.67CrO3thin films were deposited on FTO covered glass substrates, and demonstrated a work function particularly well adapted as an interface material for p-type halide perovskites. This discovery bears considerable significance, especially within the field of solar cells.
Cette thèse a été consacrée au développement de couches minces de solutions solides La/Sr d'oxydes pérovskites conducteurs transparents. Nous avons réussi à réaliser la croissance de couches minces d'oxyde de vanadate de lanthane et de strontium (LSVO) avec une gamme de compositions diverses. Les échantillons de couches minces de LSVO ont été soumis à une caractérisation structurale approfondie, qui a permis de mettre en évidence leur haute qualité cristalline. En réalisant des caractérisations chimiques exhaustives, telles que la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la spectroscopie d'absorption des rayons X , les états d'oxydation du vanadium ont été déterminés, offrant ainsi des informations sur leur évolution dans diverses conditions atmosphériques. Il est important de noter que le lanthane joue un rôle essentiel dans la stabilisation des couches minces contre l'oxydation de surface, qui est fréquemment observée dans les couches minces de SVO. L'ingénierie des contraintes a permis de mettre en evidence son influence sur les caractéristiques physiques des couches minces de LSVO. Il convient de noter que l'application d'une contrainte de compression augmente le niveau de corrélations électroniques au sein du matériau, conduisant par conséquent à une augmentation de la masse effective. Néanmoins, l'introduction de lacunes d'oxygène a un impact négatif sur les propriétés électriques. Cela souligne la pertinence supérieure de l'utilisation d'un substrat (LSAT) afin d'obtenir des caractéristiques électriques améliorées. De plus, la croissance de solutions solides LSVO sur des substrats LSAT a révélé des caractéristiques optiques intrigantes, en particulier une région transparente à des longueurs d'onde plus courtes par rapport aux échantillons déposés sur des substrats STO. Après avoir pris en compte l'impact du dopage au lanthane et de l'ingénierie des contraintes sur les propriétés des couches minces de LSVO, il a été déterminé que la composition La0.33Sr0.67VO3, lorsqu'elle est déposée sur LSAT, présente les caractéristiques les plus favorables en tant qu'oxyde conducteur transparent (TCO). L'introduction de lanthane sert de facteur stabilisant contre l'oxydation de surface, tout en améliorant simultanément les caractéristiques optiques et électriques.La réalisation de la synthèse de couches minces de solution solide (LSCO) avec des compositions diverses a donné des résultats significatifs. Grâce à l'optimisation de la croissance, nous avons pu obtenir des structures cristallines de qualité supérieure et une conductivité améliorée. La présence de strontium semble induire un état d'oxydation Cr6+, indiquant une instabilité potentielle de la surface à la sur-oxydation, en particulier à des niveaux de Sr plus élevés. Le dopage au lanthane a permis d'atténuer efficacement cette instabilité, observée par l'introduction de Cr3+. La résistivité à température ambiante a présenté une diminution notable de la composition riche en La (La0.66Sr0.34CrO3) aux compositions riches en Sr (La0.16Sr0.84CrO3), ce qui concorde avec les résultats rapportés dans des travaux antérieurs. Le caractère transparent du matériau était clairement observable, présentant un niveau de transparence supérieur à 50% sur tout le spectre visible. Il est intéressant de mentionner que la composition La0.33Sr0.67CrO3 est apparue comme le choix optimal en raison de sa combinaison unique de stabilisation de surface, de propriétés électriques et optiques exceptionnelles. En conséquence, cette composition est très prometteuse en tant que matériau de type p pour les oxydes conducteurs transparents. De plus, des couches minces de La0.33Sr0.67CrO3 ont été déposées sur des substrats de verre recouverts de FTO, et ont démontré une fonction de travail particulièrement bien adaptée comme matériau d'interface pour les pérovskites halogénées de type p. Cette découverte a une importance considérable, notamment dans le domaine des cellules solaires.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04362520 , version 1 (22-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04362520 , version 1

Citer

Oualyd El Khaloufi. Development of the thin film solid solutions of perovskite based transparent conductors. Physics [physics]. Normandie Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023NORMC237⟩. ⟨tel-04362520⟩
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