Propriétés optiques de nanostructures et composites de polymères à base d'oxyde de zinc

Optical properties of ZnO nanostructures and ZnO/polymer composites

• Auteur / Autrice : Ishaq Musa
• Direction : Eric Faulques, Thien-Phap Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, Sciences des Nanomatériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Composites

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

ZnO

Films minces

Absorption

Résumé

This thesis presents the synthesis, characterization and optical properties of ZnO nanostructures. In addition, composite thin films made by incorporation of ZnO nanoparticles into conjugated polymer have also been fabricated and studied by optical characterization with special focus on PL measurements. Well-crystallized plate-like and bare ZnO nanoparticles of various sizes (3. 5 - 20 nm) were synthesized by different chemical routes without surface modification. The morphology and structure of the nanoparticles were characterized by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, and time-resolved photoluminescence (PL). Strikingly, the intensity of the defect-related emission band is enhanced when the particle size is reduced. In a parallel manner, the energies of near band edge (NBE) UV emission and absorption onsets are blue shifted. The dynamical behavior of exciton confinement is reflected by very a short decay time of the NBE exciton, and by long-lived, multiexponential, intrinsic-defect emission in the green spectral range. This temporal investigation of PL gives strong indication that a quantum confinement effect exists in the electronic structure of ZnO nanoparticles well above the exciton Bohr radius, lasting at subnano/or nanosecond time scales. The observed size dependence of the UV and green emission intensities opens up the possibility of tailoring exciton properties of ZnO nanocrystals for their applications in light emitting diodes or in photovoltaic components. In the same context, the optical properties of ZnO thin films with and without AlN buffer layer will be shortly described as well as those of ZnO coated multi wall carbon nanotubes (MWCNTs). The effect of the various sizes and concentrations of hybrid MEH-PPV/ZnO and PF-oxe/ZnO composites on their optical properties are studied. The PL spectra showed a significant enhancement in intensity in composites when using low nanoparticle concentrations. Additionally, it was also observed that the smaller the size of ZnO nanoparticles the higher the emission efficiency in thin films composites.

Cette thèse porte principalement sur l'étude de certaines propriétés optiques de nanostructures d'oxyde de zinc (ZnO) sous forme de nanocristaux, de films minces, et en tant que composant nanométrique dans des composites à base de polymères conducteurs. La première partie du mémoire décrit la synthèse de ces matériaux qui a été effectuée à l'Institut des Matériaux Jean Rouxel, par différentes méthodes. Une étude poussée de la caractérisation morphologique et structurale est effectuée au moyen de la microscopie électronique et de la diffraction des rayons X, appuyée par quelques expériences de diffusion Raman. Dans le chapitre suivant, on découvre que ces nanomatériaux émettent une lumière intense dans l'ultraviolet et dans la région verte du spectre. La preuve du confinement quantique des excitons dans les particules de ZnO est apportée par les techniques d'aborption optique et de photoluminescence suivie par une description succincte des modèles régissant ce confinement. Vient ensuite l'analyse des propriétés émissives, notamment par spectroscopie résolue en temps. Les variations temporelles et spectrales de l'émission sont caractérisées en fonction de la taille et des défauts structurels des nanostructures. Le dernier chapitre aborde la synthèse et l'étude optique de matériaux composites obtenus en mélangeant des nanocristaux de ZnO avec des polymères conjugés tels que MEH-PPV, connus pour leurs propriétés de photoluminescence et leur application aux diodes électroluminescentes. Là encore des propriétés émissives remarquables en fonction de la taille des particules insérées sont mises en évidence.