Synthèse et caractérisations de matériaux composites à base de nanocristaux de Ge pour des applications optroniques

par Stéphanie Parola

Thèse de doctorat en Physique et technologie des composants

Sous la direction de Abdelilah Slaoui et de Etienne Quesnel.

Le président du jury était Jean-Luc Rehspringer.

Le jury était composé de Bruno Grandidier.

Les rapporteurs étaient Hervé Rinnert, Daniel Bellet.


  • Résumé

    Les nanomatériaux, grâce à leurs propriétés optiques et électroniques, peuvent être une opportunité pour le développement d'une nouvelle génération de cellules photovoltaïques à hauts rendements et bas coût. Les boîtes quantiques sous la forme de nanocristaux semi-conducteurs permettent de réaliser des matériaux à énergie de gap variable, propriété très recherchée pour un absorbeur solaire. Ce travail est consacré à l'élaboration et à la caractérisation de matériaux à base de nanocristaux de Ge dans différentes matrices. Une source à agrégats, procédé original de pulvérisation sous vide, a été étudiée pour synthétiser des nanoparticules de Ge. Cette technique de dépôt permet la formation de nanoparticules de Ge bien cristallisées (pour un substrat maintenu à température ambiante) et d'avoir un très bon contrôle de la taille de ces nanocristaux. Des caractérisations optiques de nanocristaux de Ge enfouis dans des matrices isolantes et semi-conductrices ont permis de démontrer la présence d’effet de confinement quantique dans ces cristaux et la possibilité de moduler leur énergie de gap sur une large gamme d'énergie entre 0,85 et 1,55 eV. Afin d’extraire et de collecter des charges photogénérées dans les nanocristaux, nous nous sommes intéressés au couple nanocristaux de Ge / matrice de ZnO:Al qui permet de séparer spatialement les photoporteurs (alignement en type II). La structure composée de nanocristaux de Ge recouverts d'une matrice de ZnO:Al sur un substrat de Si (p+), a permis de mettre en évidence un effet photovoltaïque pour lequel la génération de porteurs s'effectue uniquement dans les nanocristaux de Ge.

  • Titre traduit

    Synthesis and characterizations of Ge nanocrystals based materials for optoelectronical application


  • Résumé

    The particular properties of nanomaterials can be an opportunity for developing a new low cost and a high efficient generation of solar cells. Semiconducting nanocrystals can be used as quantum dots to realize band gap engineering by varying the nanocrystals size. The subject of research is to synthesize a composite material based on Ge nanocrystals embedded in various matrices and perform characterizations. A nanocluster source, under vacuum sputtering setup, was used to synthesize Ge nanoparticles. The vapor phase condensation leads to the formation of well crystallized nanoparticles, for a deposition performed at room temperature. This synthesis method allows a good control of the nanocrystals size and the nanocrystals quantity inserted in the material. Optical properties of Ge nanocrystals embedded in insulating and semiconducting matrices were studied. We have demonstrated the quantum dot behavior of Ge nanocrystals. We have also shown the ability to modulate the nanocrystals band gap from 0.85 to 1.55 eV by varying the nanocrystals size and the potential barriers. Optoelectronical characterizations were performed to estimate the ability to extract and collect the carriers photogenerated in the Ge nanocrystals by light absorption. Ge nanocrystals in ZnO:Al matrix forms type-II quantum dots. This heterostructure is very interesting because it allows the spatial separation of the carriers while keeping the quantum confinement properties. We have brought out a photovoltaic effect with the structure p+-Si wafer / Ge nanocrystals / ZnO:Al matrix. We have also demonstrated that the carrier generation only occurs in the Ge nanocrystals.


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