Nano-objets semi-conducteurs III-V écocompatibles

par Axel Maurice

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Bérangère Hyot et de Peter Reiss.

Soutenue le 18-10-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Kuntheak Kheng.

Le jury était composé de Bernard Geffroy, Stéphanie Le Calvez.

Les rapporteurs étaient Eric Tournié, Fabien Delpech.


  • Résumé

    Depuis quelques années, les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) connaissent un véritable essor se traduisant par leur intégration progressive au sein d'appareils électroniques « grand public » : téléphones portables, téléviseurs, etc. En dépit d'avantages indéniables, des obstacles — notamment des coûts de fabrication élevés et des durées de vie insuffisantes — freinent encore l'adoption massive de cette technologie. Le remplacement de la couche émissive organique par des quantum dots pourrait résoudre tout ou partie de ces problèmes, tout en améliorant les performances des dispositifs « QD-LEDs » ainsi constitués.L'objectif de cette thèse consiste à élaborer, par voie colloïdale, des nanocristaux semi-conducteurs non toxiques et présentant toutes les caractéristiques requises pour leur intégration dans des QD-LEDs.Un protocole de synthèse de nanoparticules d'antimoniure d'indium (InSb) reposant sur l'injection du précurseur d'antimoine en phase gazeuse a tout d'abord été mis au point. Suite à l'optimisation des différents paramètres de réaction, les nanocristaux obtenus par cette voie présentent un certain nombre de qualités : bonne cristallinité, faible dispersion en taille et excellente stabilité en solution. En revanche, l'absence de photoluminescence — attribuée à la présence d'une coquille amorphe autour du cœur des particules — ne permet pas à l'heure actuelle d'exploiter pleinement ces nanocristaux dans des applications optiques.L'étude a ensuite été dirigée vers la production de quantum dots à base de phosphure d'indium (InP), afin de permettre la réalisation ultérieure d'un dispositif QD-LED fonctionnel. Grâce à l'élaboration de structures à gradient de composition, des nanocristaux dotés d'un fort rendement quantique de photoluminescence ainsi que d'une excellente stabilité en milieu oxydant ont pu être élaborés.Enfin, des essais préliminaires portant sur l'intégration des nanocristaux à base de phosphure d'indium dans des diodes électroluminescentes ont été menés. Le dépôt des quantum dots a été réalisé selon la technique dite de « LANGMUIR-SCHAEFFER stamping » tandis que les autres couches présentes dans l'empilement — à base de petites molécules — ont été élaborées par évaporation. En dépit de performances encore modestes, l'émission des QD-LEDs ainsi produites présente toutefois une nette contribution provenant de la couche de nanocristaux Ces résultats ouvrent ainsi la voie à de nouveaux développements très prometteurs.

  • Titre traduit

    Eco-friendly III-V semiconductor nano-objects


  • Résumé

    During the past few years, organic light-emitting devices (OLEDs) gradually appeared in consumer electronics such as smartphones and television sets. Unfortunately, the OLED market is still curbed by some drawbacks of this technology — namely high manufacturing costs and limited lifetime. By replacing the organic emitting layer by quantum dots, one could expect to partially solve these problems and further improve the performances of the so-called QD-LED devices.The aim of this study is to produce semiconductor nanocrystal quantum dots which are non-toxic and exhibit all the required features for their successful integration inside QD-LED structures.A new approach for the synthesis of colloidal indium antimonide (InSb) nanocrystals relying on the use of a gaseous antimony precursor was firstly developed. Thanks to the optimization of several reaction parameters, the nanocrystals obtained by this pathway exhibit a good crystallinity, a reduced size dispersion, and are highly stable in solution. Unfortunately, no photoluminescence signal was recorded — probably because of an amorphous shell surrounding the particle cores — so these nanocrystals cannot be used for optical applications.Then, we investigated the chemical synthesis of indium phosphide (InP) based quantum dots likely to yield a working QD-LED prototype. Owing to composition gradient shells, we produced nanocrystals exhibiting a high photoluminescence quantum yield and a good stability in oxygen-rich medium.Finally, we made several preliminary attempts in order to integrate indium phosphide based nanocrystals in light-emitting diodes. The quantum dot films were deposited by the “Langmuir-Schaeffer stamping” technique while the other layers made of small molecules were evaporated. Despite its still modest performances, the emission of the elaborated QD-LEDs shows a neat contribution from the embedded quantum dots. These results open the way for future developments.


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