Etude théorique des propriétés électroniques et optiques des super-réseaux de Si/SiO2

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction.

Influence de la taille de départ, de l’état d’agglomération et de la dose de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) inhalées sur la réponse pulmonaire chez le rat

En raison de leur petite taille, les nanoparticules (NP) (< 100 nm) peuvent coaguler très rapidement ce qui favorise leur pénétration dans l’organisme sous forme d’agglomérats. L’objectif de cette recherche est d’étudier l’influence de l’état d’agglomération de NP de dioxyde de titane (TiO2) de trois tailles de départ différentes, 5, 10-30 ou 50 nm sur la toxicité pulmonaire chez le rat mâle (F344) exposé à des aérosols de 2, 7 ou 20 mg/m3 pendant 6 heures. Dans une chambre d’inhalation, six groupes de rats (n = 6 par groupe) ont été exposés par inhalation aiguë nez-seulement à des aérosols ayant une taille primaire de 5 nm, mais produits sous forme faiblement (< 100 nm) ou fortement (> 100 nm) agglomérée à 2, 7 et 20 mg/m3. De façon similaire, quatre autres groupes de rats ont été exposés à 20 mg/m3 à des aérosols ayant une taille primaire de 10-30 et 50 nm. Les différents aérosols ont été générés par nébulisation à partir de suspensions ou par dispersion à sec. Pour chaque concentration massique, un groupe de rats témoins (n = 6 par groupe) a été exposé à de l’air comprimé dans les mêmes conditions. Les animaux ont été sacrifiés 16 heures après la fin de l’exposition et les lavages broncho-alvéolaires ont permis de doser des marqueurs d’effets inflammatoires, cytotoxiques et de stress oxydant. Des coupes histologiques de poumons ont également été analysées. L’influence de l’état d’agglomération des NP de TiO2 n’a pu être discriminée à 2 mg/m3. Aux concentrations massiques de 7 et 20 mg/m3, nos résultats montrent qu’une réponse inflammatoire aiguë est induite suite à l'exposition aux aérosols fortement agglomérés. En plus de cette réponse, l’exposition aux aérosols faiblement agglomérés à 20 mg/m3 s’est traduite par une augmentation significative de la 8-isoprostane et de la lactate déshydrogénase. À 20 mg/m3, les effets cytotoxiques étaient plus importants suite à l’exposition aux NP de 5 nm faiblement agglomérées. Ces travaux ont montré dans l'ensemble que différents mécanismes de toxicité pulmonaire peuvent être empruntés par les NP de TiO2 en fonction de la taille de départ et de l’état d’agglomération.

Caratérisation de la surface d’énergie potentielle des matériaux complexes et son application sur la cinétique du SiO2/Si

Dans ce rapport de mémoire, nous avons utilisé les méthodes numériques telles que la dynamique moléculaire (code de Lammps) et ART-cinétique. Ce dernier est un algorithme de Monte Carlo cinétique hors réseau avec construction du catalogue d'événements à la volée qui incorpore exactement tous les effets élastiques. Dans la première partie, nous avons comparé et évalué des divers algorithmes de la recherche du minimum global sur une surface d'énergie potentielle des matériaux complexes. Ces divers algorithmes choisis sont essentiellement ceux qui utilisent le principe Bell-Evans-Polanyi pour explorer la surface d'énergie potentielle. Cette étude nous a permis de comprendre d'une part, les étapes nécessaires pour un matériau complexe d'échapper d'un minimum local vers un autre et d'autre part de contrôler les recherches pour vite trouver le minimum global. En plus, ces travaux nous ont amené à comprendre la force de ces méthodes sur la cinétique de l'évolution structurale de ces matériaux complexes. Dans la deuxième partie, nous avons mis en place un outil de simulation (le potentiel ReaxFF couplé avec ART-cinétique) capable d'étudier les étapes et les processus d'oxydation du silicium pendant des temps long comparable expérimentalement. Pour valider le système mis en place, nous avons effectué des tests sur les premières étapes d'oxydation du silicium. Les résultats obtenus sont en accord avec la littérature. Cet outil va être utilisé pour comprendre les vrais processus de l'oxydation et les transitions possibles des atomes d'oxygène à la surface du silicium associée avec les énergies de barrière, des questions qui sont des défis pour l'industrie micro-électronique.