The research on preparation of ZnO nano-material and photoelectric devices

par Zhen Guo

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Caroline Andreazza-Vignolle.

Soutenue le 25-05-2011

à Orléans en cotutelle avec l'University of Chinese academy of sciences , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et technologies (Orléans) , en partenariat avec Centre de Recherche sur la matière divisée (laboratoire) et de Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (équipe de recherche) .

Le président du jury était Shiyong Liu.

Le jury était composé de Caroline Andreazza-Vignolle, Shiyong Liu, Jacques Zheng, Bin Yao, Hang Song.

Les rapporteurs étaient Jacques Zheng, Bin Yao.

  • Titre traduit

    Préparation de nanostructures de ZnO et intégration dans des dispositifs photoélectriques


  • Résumé

    L’oxyde de Zinc (ZnO) est un oxyde semi-conducteur à large bande interdite dont un paramètre primordial est la valeur importante de l’énergie du premier exciton. Ces caractéristiques font de ZnO un matériau à fort potentiel applicatif notamment pour l’électronique. Cette thèse développe d’une part l’étude de la croissance contrôlée de nanostructures de ZnO sur différents supports et d’autre part l’étude de l’intégration de telles nanostructures dans des nano-composants. Plusieurs méthodes de préparation ont été utilisées au cours de ce travail : l’élaboration par voie chimique en phase vapeur et la synthèse hydrothermale qui ont permis l’obtention de nanofils, « nanopilliers » de taille et de densité variables pouvant être alignés perpendiculairement au support. L’intégration de ces réseaux alignés de nanofils dans des nano-composants a montré une émission stimulée par pompage optique utilisant un laser femtoseconde présentant un seuil de 96KW/cm2. Une couche de platine utilisée comme miroir de haute réflectivité a par ailleurs montré une diminution du seuil jusque 17.3KW/cm2. Des microtiges de ZnO présentant un arrangement périodique avec des faces parallèles entre elles, obtenues sur un film mince monocristallin de GaN, a permis l’obtention d’une cavité résonante de qualité. Par pompage optique, une émission stimulée est observée dans ces hétérojonctions GaN / micro-tiges de ZnO. Des expériences d’électoluminescence ont montré une raie d’émission unique centrée à 407nm avec une largeur à mi-hauteur de 0.7nm. L’analyse par photoluminescence de ces hétérojonctions a montré que cette émission provenait des micro-tiges de ZnO. Enfin, des réseaux très compacts de nanofils de ZnO sur substrat de silicium ont été obtenus par pulvérisation magnétron et ont permis la conception de nano-photodetecteurs.


  • Résumé

    ZnO is a wide band gap semiconductor material, which has a band gap of 3.37 eV at room temperature, its most important characteristic is the high exciton bounding energy of 60 meV. Based on these characteristics, ZnO has potential applications in short wavelength photoelectric devices. The dissertation develops the following creative research on the problems of the growth controlled ZnO nanostructures, design and preparation of nanodevices. Exploring chemical vapor deposition method, through controlling the oxygen flux, the conversion from 1D to 2D growth was realized, thus ZnO nanobolt arrays were obtained; exploring hydrothermal method, through adjusting the size of the seed particle and solution concentration, ZnO nanowires with different size were obtained. The stimulated emission were observed with threshold of 96 KW/cm2 excited by femtosecond laser in the optically pumped aligned ZnO nanowires; in order to lower the threshold of the stimulated emission, Pt layer as a high reflectivity mirror was fabricated on Si substrate, optical loss has been effectively decreased, thus the threshold of the stimulated emission was further lowered to 17.3 KW/cm2 for the optically pumped ZnO nanowires. The ZnO microcrystalline film obtained by hydrothermal method with multiple growth present periodically arranged structure with parallel sides. The electrically pumped single mode lasing emission located at 407 nm with FWHM of 0.7 nm was obtained based on ZnO microcrystalline film /p-GaN heterojunction. Closely packed ZnO nanowire array was fabricated on Si substrate by magnetron sputtering method, the visible and UV dual bands alternative photo-detection was realized through adjusting forward and reverse bias.


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