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Élaboration par ablation laser de nanoparticules de sulfure de plomb et leur association avec des nanostructures unidimensionnelles pour des applications optoélectroniques.

Ka, Ibrahima (2015). Élaboration par ablation laser de nanoparticules de sulfure de plomb et leur association avec des nanostructures unidimensionnelles pour des applications optoélectroniques. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 153 p.

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Résumé

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Actuellement, les méthodes chimiques de synthèse sont celles qui sont les plus communément utilisées pour élaborer les nanoparticules (NPs) semiconductrices et les nanohybrides (NHs) à base de NPs. Malgré les propriétés optoélectroniques uniques et très intéressantes des NPs semiconductrices, les performances des dispositifs optoélectroniques fabriqués à base de ces NPs semiconductrices sont encore faibles. Ceci est généralement attribué à la faible mobilité électronique entre les NPs qui est causée par la présence de molécules isolantes (appelées ligands) autour des nanoparticules. Mon projet de thèse s’inscrit dans la dynamique visant à synthétiser des NPs de sulfure de plomb (PbS) et des NHs, sans utilisation de ligands. Pour ce faire, nous avons développé une approche physique directe basée sur l’utilisation de l’ablation laser pulsé (248 nm, 14 ns, 20 Hz) pour le dépôt des NPs de sulfure de plomb (PbS) directement sur des structures unidimensionnelles formant ainsi de nouvelles structures NHs. Ces matériaux nanohybrides seront par la suite intégrés dans des dispositifs optoélectroniques. La fabrication de ces dispositifs sera optimisée afin d’augmenter leur performance. Dans la première partie de la thèse, j’ai réalisé des études systématiques en fonction des paramètres du dépôt par ablation laser. Ces études m’ont permis de synthétiser, à température ambiante, des NPs de PbS d’excellente qualité cristalline et dont la taille peut être contrôlée de ̴2 à ̴10 nm. Les mesures de photoluminescence (PL) réalisées sur ces NPs de PbS ont montré un décalage significatif vers le bleu allant de 1350 nm à 850 nm, lorsque leur taille diminue, confirmant ainsi l’effet de confinement. Ce contrôle de la PL m’a également permis de fabriquer des multicouches de NPs de PbS dont la forme du spectre d’émission et son intensité peuvent être taillées sur mesure. Ensuite, j’ai mis au point une nouvelle approche relativement simple et efficace pour la synthèse de NHs basée sur l’ablation laser et sur la décoration contrôlée des nanotubes de carbone monoparoi (NTCMPs) par des NPs de PbS ayant une taille moyenne variant de ̴2 à ̴10 nm pour fabriquer des dispositifs photoconducteurs. Ainsi, j’ai pu démontrer que la performance de photoconductivité de nos NHs dépasse les meilleures valeurs rapportées à ce jour dans la littérature. En effet, l’optimisation de la taille des NPs et de la conductivité des films de NTCMPs ont permis d’obtenir une photoréponse des nanohybrides NTCMPs/PbS-NPs allant de 120 % à plus de 1350 % (à 405 nm). De plus, le temps de réponse de nos dispositifs photoconducteurs est 1000 à 10000 fois plus rapide que les dispositifs faits à base de NHs similaires synthétisés par les voies chimiques. Nous avons également pu démontrer que la photoconductivité très élevée de nos NHs dans l’UV est vraisemblablement due à l’effet de la génération d’excitons multiples (MEG) qui se produit dans les NPs de PbS. Finalement, en utilisant toujours le dépôt par ablation laser, j’ai été en mesure de faire croître des NPs de PbS sur des nanofiles (NFs) de TiO2 crûes par voie hydrothermale pour fabriquer des dispositifs PVs. Les NHs formés à partir de l’association des NPs et des NFs de TiO2 ont été utilisés pour fabriquer des cellules solaires. L’optimisation de la quantité de NPs sur les NFs de TiO2 à travers la variation du nombre d’impulsions laser ainsi que la longueur des NFs de TiO2 nous ont permis d’obtenir un rendement de conversion PV aussi élevé que 4.85 %. Ce rendement de conversion remarquable a été obtenu pour les cellules solaires dont la longueur des NFs de TiO2 ( ̴290 nm) correspondait à la profondeur de pénétration maximale des NPs de PbS dans la structure nanoporeuse des NFs. De plus, à l’opposé des cellules solaires à base de NPs élaborées par voies chimiques, qui se dégradent très rapidement (quelques jours), nos rendements de conversion sont restés stables pendant plusieurs mois. L’ajout de NTCMPs sur le film de NFs de TiO2 avant leur décoration par les NPs de PbS s’est soldé par une augmentation du rendement de conversion à 5.3 %. Cette performance remarquable est attribuée à l’augmentation de l’absorption des photons et de la collection des charges plus efficace dues à la présence des NTCMPs. L’ensemble de ces résultats font de l’ablation laser une méthode très prometteuse pour la synthèse de NHs pour les applications optoélectroniques.

Abstract

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Chemical processing approaches have been the most used methods to synthetize semiconducting quantum dots (QDs) and nanohybrids (NHs) in the last couple of years. Despite their interesting intrinsic optical properties, the optoelectronic performance of the devices made from such chemically grown QDs and NHs is still low. This is attributed to the low charges mobility between the QDs (or from QDs to the supporting substrate), due to the presence of insulating ligands around the QDs. My PhD project aims at developing a physical process that permit the direct synthesis part of lead sulfide (PbS) QDs and associate them with one-dimmensional structures to form novel nanohybrid structures, without resorting to any post processing and/or ligands engineering. To this end, we have capitalized on the well-established expertise of our group in the pulsed laser deposition (PLD) of nanomaterials, to study the PLD growth of PbS-QDs onto various substrates by means of a KrF pulsed laser (248 nm, 14 ns, 20 Hz). The latitude of the PLD method permits the direct synthesis of NHs by decorating one-dimensional (nanotubes and nanowires) materials with PbS-QDs. These physically grown NHs latters were straightforwardly integrated into optoelectronic devices, of which optoelectronic performance was studied and optimized. First, to synthetize the PbS-QDs, we have performed systematic studies as a function of the PLD parameters. We have thus succeeded to grow, at the room temperature, isolated PbS-QDs onto various substrates. The average size of PbS-QDs together with their substrate’s surface coverage were monitored by varying the number of laser ablation pulses. The PLD synthesized PbS-QDs are found to be of high-crystalline quality and their photoluminescence (PL) shown to blue shift significantly from ̴1350 to ̴850 nm, as their average diameter is decreased from ̴8 to ̴2 nm, thereby confirming the occurrence of quantum confinement effect. The latitude of our PLD process is shown to permit the achievement of multilayered PbS-QDs structures of which the overall PL spectral emission can be tailored at will through the appropriate stacking of individual PbS-QDs layers. Secondly, we have demonstrated that the PLD approach can be successfully used to decorate single wall carbon nanotubes (SWCNTs) by PbS-QDs (of which size can be tuned in the 2-10 nm range), forming thereby novel nanohybrid structures in a most straightforward way, where no chemical and/or post-processing treatment are required. The synthetized NHs have been used to fabricate photoconductive devices which have shown photoconductive performance higher than that best values reported so far in literature. Indeed, by optimizing both the PbS-QDs size and the initial electrical conductance of the underlying SWCNTs films, we were able to achieve SWCNT/PbS-QD NHs exhibiting, for the first time, photoresponse values as high as ≈ 1350 %, at 405 nm (at a power of 200 mW.cm − 2). Moreover, we have found that the response times of our NHs based devices are 1000 to 10000 times faster than those quoted for chemically synthetized NHs. Further investigations of the photoconductivity of our NHs have revealed that their high UV response is highly likely due to the so called multiple exciton generation (MEG) phenomenon taking place in the PbS-QDs. Finally, similarly to the SWCNTs (but in a rather vertical geometry), we also used the PLD technique to fabricate nanohybrid heterojunctions (NH-HJs) solar cells exhibiting high power conversion efficiency (PCE). The NH-HJs were achieved through the PLD-based decoration of hydrothermally-grown one-dimensional TiO2-nanorods (TiO2-NRs) by PbS-QDs. By optimizing both the amount of PbS-QDs (via the number of laser ablation pulses) and the length of the TiO2-NRs, we were able to achieve optimal NH heterojunctions exhibiting a PCE as high as 4.85 %. The PCE of these NH-HJs based PV devices was found to reach its maximum for an optimal length of the TiO2-NRs ( ̴290 nm) which coincides with the average penetration depth of PbS-QDs into the porous TiO2-NRs matrix, leading thereby to the formation of the largest extent of nano-heterojunctions. Most importantly, the PCE of these novel devices is found to be fairly stable for several months under ambient air (unlike that of chemically processed NHs based PV devices which significantly vanishes after a couple of days). The addition of SWCNTs onto the TiO2-NRs prior to their decoration by PbS-QDs is shown to further enhance their PCE to a value as high as 5.3 %, because of additional light absorption and improved charge collection ensured by the high mobility SWCNTs. These results demonstrate the potential of the PLD technique to synthesize various NHs (based on appropriate combinations of QDs and one dimensional nanostructures) for the development of highly photosensitive devices for various optoelectronic applications.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: El khakani, My Ali
Co-directeurs de mémoire/thèse: Ma, Dongling
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: nanoparticules de sulfure de plomb; nanotubes de carbone monoparoi; nanofiles de TiO2; nanohybride; dépôt par laser pulsé; photoconduction; photovoltaïque
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 11 févr. 2016 18:41
Dernière modification: 11 févr. 2016 18:41
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3304

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