Effect of ion irradiation on the microstructure and physical properties of nanoparticles.

Wang, Chao (2021). Effect of ion irradiation on the microstructure and physical properties of nanoparticles. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 189 p.

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Résumé

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L'irradiation des solides par des particules de haute énergie (par exemple des électrons ou des ions) génère des défauts atomiques qui modifient considérablement les propriétés physiques du matériau. La compréhension et la quantification des effets induits par de tels rayonnements dans les semi-conducteurs nanostructurés apportent des informations utiles pour de nombreuses applications en science des matériaux, optoélectronique, technologie spatiale et la conversion d’énergie. Plusieurs types de rayonnements ionisants, composés principalement de protons, de particules alpha, de rayons gamma et de rayons X, sont rencontrés en dehors de la protection naturelle fournie par l’atmosphère terrestre. Ces derniers détériorent les systèmes électroniques et les instruments équipant les satellites et autres modules lancés dans l’espace. C’est pourquoi, il est très important de connaître leurs effets sur la performance et la stabilité des matériaux avancés employés dans ces systèmes embarqués. Dans la première partie de cette thèse, des points quantiques (QDs) de CdSe enrobés d’une fine couche de CdS ont été exposés à des faisceaux de protons visant à reproduire les conditions rencontrées dans l’espace. Un modèle à trois couches a été développé pour simuler l’effet de ces radiations au niveau de la structure atomique du matériau cible, à l’aide du logiciel Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM). Nos résultats montrent qu’ en faisant varier l’énergie d’accélération des protons incidents, il est possible de modifier la concentration relative de défauts structurels induits séparemment dans le cœur de CdSe et la couche de CdS. Alors que la proportion de lacunes générées dans le cœur de CdSe par des faisceaux de 1.5 keV et 10 keV reste inchangée , nous montrons que celle-ci est de 30% plus élevée dans la couche de CdS pour des protons de 1.5 keV En faisant varier la dose d’irradiation, nous mettons en évidence la formation de nanocavités à l’aide d’un microscope électronique à transmission (TEM). Leur vitesse de formation est conforme aux taux de décapage ionique calculés dans le matériau-cible, à partir des paramètres de faisceaux que nous avons employés. L’intensité de photoluminescence (PL) et la durée de vie des émissions lumineuses provenant des QDs étudiés diminuent après irradiation. En comparant les mesures effectuées avec des faisceaux ioniques de 1.5 et 10 keV, il apparaît que la réduction de ces deux quantités varie linéairement avec la concentration de défauts générés par les protons incidents dans la couche externe de CdS. Des mesures de courant-tension effectués sur des points quantiques déposés sur un substrat de Si, montrent comment la bande interdite du semi conducteur et le transfert des porteurs de charge à l'intérieur et à l'extérieur des QDs sont affectés par les irradiations. La deuxième partie de ce travail décrit en détail la structure atomique de points quantiques de CuInSexS2-x/CdSeS/CdS et s’intéresse aux effets de faisceau d’électrons sur leur microstructure. La taille, la morphologie tridimensionnelle et la structure interne des points quantiques hétérogènes préparés sont caractérisés par microscopie électronique en transmission de haute résolution (HRTEM). En étudiant la morphologie et la taille des particules formées àdifférents stades de leur synthèse, un mécanisme de croissance épitaxiale est proposé pour la formation de ces hétérostuctures quantiques. L’alignement des couches atomiques composant le noyau de CuInSexS2-x/CdSeS et la couche-coquille de CdSe est déterminée comme suit: [110]noyau//[110]coquille , {112}noyau//{111}coquille . Au moyen d’observations HRTEM in situ, nous montrons qu’une irradiation par faisceau d’électrons de 200 kV permet de réparer efficacement les dislocations structurelles au sein de ces hétérostructures au bout de 15 minutes, mais que les défauts d'empilement restent toujours inchangés après 20 minutes d’exposition. Dans la dernière partie, des nanoparticules (NPs) Er/Si ont été synthétisées dans une matrice de silice fondue par implantations ioniques successives de Si et d’Er, suivies de recuits effectués entre 1000 oC et 1200 oC. Les images TEM montrent que le diamètre des NPs formés augmente avec la température. À 1000 oC et 1100 oC, le Si et Er implantés se sont nucléés séparément, conduisant à des émissions PL plus intenses dans les gammes spectrales visible (VIS) et proche infrarouge (NIR). A 1200 ℃, on a observé des agrégats à l’échelle nanométrique ayant une faible activité optique due à la formation de nanoparticules de ErSi2. Les mesures effectuées sur des échantillons exposés à différents faisceaux de protons, visant à reproduire en laboratoire les conditions radiatives rencontrées dans l’espace, ont montré que les systèmes hybrides contenant des nano-cristaux de silicium (NCs) et des Er-np émettent plus de lumière et survivent plus longtemps aux effets induits par ce type d’irradiations. Ces propriétés peuvent être associées à une augmentation des transferts de charges entre nanocristaux de Si et nanoparticules d’Er, qui compensent une partie des pertes de lumière résultant des dommages structurels.

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Irradiation of solids with energetic particles, such as electrons or ions, gives rise to the formation of atomic defects that can strongly modify the properties of materials. Both the understanding and the quantification of the effects induced by these radiations in nanostructured semiconductors provide physical insights and relevant information regarding their structural integrity, tunability, long-term degradation, and stability for numerous applications in materials science and optoelectronics. Beyond the natural protection provided by the Earth’s atmosphere, various types of ionizing radiation (mainly composed of protons, alpha particles, gamma, and X-rays) can be encountered. This kind of environment is usually known to disrupt electronic systems and instrumentation. Therefore, it is important to evaluate the change in performance and test the stability of any system based on advanced materials. In the first part of this thesis, proton irradiation experiments were performed on “giant” core-shell (g-CS) CdS/CdSe quantum dots (QDs) using low-energetic (< 10 keV) ion beams. A simple three-layer model was built for Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM) simulations. It shows that 1.5 and 10 keV proton irradiations create almost the same rate of vacancies inside the CdSe core, while 1.5 keV proton irradiation creat 30% higher vacancies in the CdS shell than that of 10 keV protons. The density of nanocavities observed by transmission electron microscopy (TEM) was found to be consistent with the rate of vacancies generated during irradiation. Both the photoluminescence (PL) intensity and lifetime of QDs decrease after irradiation. By comparing the measurements obtained for experiments conducted with ion beams of 1.5 keV and 10 keV, the reduction of these two parameters appears to vary linearly with the concentration of surface defects/traps created by impinging protons into the CdS shell. The I-V curves of QDs deposited on Si and irradiated with 1.5 and 10 keV H+ show that the semiconductor bandgaps and the charge carrier exchanges inside and outside QDs differ from the I-V response of the substrate. Proton irradiation can be implemented to enhance photocurrent generation in g-CS QDs. In the second part, a detailed description of the atomic structure of CuInSexS2−x/CdSeS/CdS QDs and the effect of e-beam irradiation is presented. Size, three-dimensional (3D) shape, and inner structure of the formed hetero-QDs were characterized through in-depth high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). An epitaxial growth mechanism of the hetero-QDs was proposed, based on monitoring particle morphology and size at different stages of their growth process. The epitaxial relationship between the CuInSexS2-x/CdSeS core and CdS shell was determined to be [110]core//[110]shell, {112}core//{111}shell. In addition, in situ HRTEM observations show that the screw dislocation inside the hetero-QDs can be efficiently repaired by e-beam irradiation (~ 15 min), whereas the stacking fault remains unchanged, even after 20 min of e-beam exposure. In the last part, Er/Si nanoparticles (NPs) were synthesized in co-implanted fused silica after thermal annealing between 1000 oC and 1200 oC. TEM images show that the diameter of the formed NPs increases with temperature. At 1000°C and 1100 oC, the implanted Si and Er were found to nucleate separately, leading to stronger photoemission signals in both visible (VIS) and near-infrared (NIR) spectral ranges. At 1200 oC we observed nanoscale aggregates that are less optically active due to the formation of ErSi2 NPs in localized sample regions. PL measurements conducted on samples exposed to proton beam aiming at reproducing space radiative environment in vacuum chamber show that the optical emission of hybrid systems containing Er-np and Si nanocrystals (NCs) is more intense and survives longer to ion-induced damaging than unmixed nanoclusterized systems. These results can be described in terms of an increase of the photocarrier transfer occurring between Si NCs and NIR Er emitting levels, which partially compensates for the optical losses induced by structural damage.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Rosei, Federico
Mots-clés libres:	radiation ionisante; implantation ionique; nanoparticules; points quantiques; microstructure; défaut cristallin; photoluminescence; photocourant; microscopie électronique en transmission; ionizing radiation; ion implantation; nanoparticles; quantum dots; microstructure; crystal defects; photoluminescence; photocurrent; transmission electron microcopy
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	20 mai 2022 18:25
Dernière modification:	24 janv. 2023 16:18
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/12556

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