Etude-des-mecanismes-de-conduction-et-de-photoconduction-dans-les-cristaux-de-niobate-de-lithium-purs-et-dopes.pdf

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Etude des mécanismes de conduction et de photoconduction
dans les cristaux de niobate de lithium purs et dopés
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Remerciements
Mon travail de thèse s'est principalement déroulé au Laboratoire Matériaux Optiques,
Photonique et Systèmes (LMOPS), de l’université Paul Verlaine de Metz. Je remercie en premier
lieu Jean Pierre Charles, Professeur émérite à l’université de Metz de m’avoir mis en contact avec
ce laboratoire et les Professeurs Marc Fontana et Jean-Paul Salvestrini, ancien et nouveau
Directeurs pour m'avoir accueilli dans leur laboratoire.
Je tiens à remercier très chaleureusement Pr Michel Aillerie du LMOPS, d'avoir dirigé
cette thèse. Je suis reconnaissant pour la confiance qu'il m'a portée et pour la disponibilité dont il a
fait preuve tout au long de mon séjour de 18 mois. En toute complémentarité, il m'a guidé et m'a
permis de m'enrichir de ses connaissances et de ses expériences dans l’étude des propriétés
physiques, optiques et électriques du niobate de lithium.
J'adresse également mes remerciements à Monsieur Patrice Bourson Professeur au
LMOPS, de m’avoir permis d’accéder au centre d’usinage et de découpe laser de l’Université
Paul Verlaine de Metz, et Monsieur Sergeï Kostritskii Professeur à l’Institut de Technologie
Electronique de Moscou, d’avoir participé aux mesures d’endommagement optique.
J’adresse toute ma reconnaissance aux personnes qui ont contribué de près ou de loin à la
réalisation de ce travail :
௅ Sabrina Mignoni, doctorante au LMOPS pour sa participation aux mesures d’absorption optique
௅ Les secrétaires Véronique Feitz et Cécile Schreiber pour leur gentillesse et leur disponibilité.
௅ Jean Claude Petit et Evelyne Doriath pour leur aide et la sympathie qu’ils m’ont apportés au
laboratoire.
Enfin, je remercie l’ensemble du personnel du laboratoire, chercheurs et doctorants pour
leur sympathie, ambiance qu’ils ont porté au laboratoire
Mes remerciements vont aussi à Monsieur Benyoucef Boumédiène Professeur à
l’université Abou Bakr Belkaïd de Tlemcen pour son soutien tout au long de ma thèse, ses
encouragements ainsi que ses conseils précieux.
Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Monsieur Benmouna Mustapha, Professeur à
l’université de Tlemcen pour l'honneur qu'il m’a fait en acceptant de présider ce jury, à Messieurs
Saïdane Abdelkader et Belaïdi Abdelkader, Professeurs à l’université d’Oran et Monsieur Nasr-
eddine Chaabane Sari, Professeur à l’université Abou Bakr Belkaïd de Tlemcen, d’avoir accepter
d’examiner mon travail.

Résumé
En raison de ses propriétés piézo-électriques, électro-optiques et optiques non linéaires
intéressantes, le niobate de lithium LiNbO
3
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 Fe
3+
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 Fe
2+
et Fe
3+
ainsi que le ratio Fe
2+
/Fe
3+
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 Fe
2+
/Fe
3+
. 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.