Étude des propriétés plasmoniques des réseaux de nanotrous

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Modification des propriétés optiques de nanofils à base de GaN par plasma N2/O2

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.

Spectrum simulation of rough and nanostructured targets from their 2D and 3D image by Monte Carlo methods

Corteo is a program that implements Monte Carlo (MC) method to simulate ion beam analysis (IBA) spectra of several techniques by following the ions trajectory until a sufficiently large fraction of them reach the detector to generate a spectrum. Hence, it fully accounts for effects such as multiple scattering (MS). Here, a version of Corteo is presented where the target can be a 2D or 3D image. This image can be derived from micrographs where the different compounds are identified, therefore bringing extra information into the solution of an IBA spectrum, and potentially significantly constraining the solution. The image intrinsically includes many details such as the actual surface or interfacial roughness, or actual nanostructures shape and distribution. This can for example lead to the unambiguous identification of structures stoichiometry in a layer, or at least to better constraints on their composition. Because MC computes in details the trajectory of the ions, it simulates accurately many of its aspects such as ions coming back into the target after leaving it (re-entry), as well as going through a variety of nanostructures shapes and orientations. We show how, for example, as the ions angle of incidence becomes shallower than the inclination distribution of a rough surface, this process tends to make the effective roughness smaller in a comparable 1D simulation (i.e. narrower thickness distribution in a comparable slab simulation). Also, in ordered nanostructures, target re-entry can lead to replications of a peak in a spectrum. In addition, bitmap description of the target can be used to simulate depth profiles such as those resulting from ion implantation, diffusion, and intermixing. Other improvements to Corteo include the possibility to interpolate the cross-section in angle-energy tables, and the generation of energy-depth maps.

Growth and Characterization of ZnO based Heterojunction diodes and ZnO Nanostructuresby Pulsed Laser Ablation

Transparent conducting oxides (TCO’s) have been known and used for technologically important applications for more than 50 years. The oxide materials such as In2O3, SnO2 and impurity doped SnO2: Sb, SnO2: F and In2O3: Sn (indium tin oxide) were primarily used as TCO’s. Indium based oxides had been widely used as TCO’s for the past few decades. But the current increase in the cost of indium and scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCO’s. Hence the search for alternative TCO material has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of various binary and ternary compounds. But the advantages of using binary oxides are the easiness to control the composition and deposition parameters. ZnO has been identified as the one of the promising candidate for transparent electronic applications owing to its exciting optoelectronic properties. Some optoelectronics applications of ZnO overlap with that of GaN, another wide band gap semiconductor which is widely used for the production of green, blue-violet and white light emitting devices. However ZnO has some advantages over GaN among which are the availability of fairly high quality ZnO bulk single crystals and large excitonic binding energy. ZnO also has much simpler crystal-growth technology, resulting in a potentially lower cost for ZnO based devices. Most of the TCO’s are n-type semiconductors and are utilized as transparent electrodes in variety of commercial applications such as photovoltaics, electrochromic windows, flat panel displays. TCO’s provide a great potential for realizing diverse range of active functions, novel functions can be integrated into the materials according to the requirement. However the application of TCO’s has been restricted to transparent electrodes, ii notwithstanding the fact that TCO’s are n-type semiconductors. The basic reason is the lack of p-type TCO, many of the active functions in semiconductor originate from the nature of pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al reported the CuAlO2 as the first p-type TCO along with the chemical design concept for the exploration of other p-type TCO’s. This has led to the fabrication of all transparent diode and transistors. Fabrication of nanostructures of TCO has been a focus of an ever-increasing number of researchers world wide, mainly due to their unique optical and electronic properties which makes them ideal for a wide spectrum of applications ranging from flexible displays, quantum well lasers to in vivo biological imaging and therapeutic agents. ZnO is a highly multifunctional material system with highly promising application potential for UV light emitting diodes, diode lasers, sensors, etc. ZnO nanocrystals and nanorods doped with transition metal impurities have also attracted great interest, recently, for their spin-electronic applications This thesis summarizes the results on the growth and characterization of ZnO based diodes and nanostructures by pulsed laser ablation. Various ZnO based heterojunction diodes have been fabricated using pulsed laser deposition (PLD) and their electrical characteristics were interpreted using existing models. Pulsed laser ablation has been employed to fabricate ZnO quantum dots, ZnO nanorods and ZnMgO/ZnO multiple quantum well structures with the aim of studying the luminescent properties.

Oligo(p-Phenylenevinylene) Derived Organogels: A Novel Class of Functional Supramolecular Materials

The main objective of the present study is to have a detailed investigation on the gelation properties, morphology and optical properties of small π-conjugated oligomers. For this purpose we have chosen oligo(p-phenylenevinylene)s (OPVs), a class of molecules which have received considerable attention due to their unique optical and electronic properties. Though a large number of reports are available in the literature on the self-assembly properties of tailor made OPVs, none of them pertain to the design of nanostructures based on organogels. In view of this, we aimed at the creation of functional chromophoric assemblies of π-conjugated OPVs through the formation of organogels, with the objective of crafting nanoscopic assemblies of different size and shape thereby modulating their optical and electronic properties.In order to fulfill the above objectives, the design and synthesis of a variety of OPVs with appropriate structural variations were planned. The design principle involves the derivatization of OPVs with weak H-bonding hydroxymethyl end groups and with long aliphatic hydrocarbon side chains. The noncovalent interactions in these molecules were expected to lead the formation of supramolecular assembly and gels in hydrocarbon solvents. In such an event, detailed study of gelation and extensive analysis of the morphology of the gel structures were planned using advanced microscopic techniques. Since OPVs are strongly fluorescent molecules, gelation is expected to perturb the optical properties. Therefore, detailed study on the gelation induced optical properties as a way to probe the nature and stability of the selfassembly was planned. Apart from this, the potential use of the modulation of the optical properties for the purpose of light harvesting was aimed. The approach to this problem was to entrap an appropriate energy trap to the OPV gel matrix which may lead to the efficient energy transfer from the OPV gel based donor to the entrapped acceptor. The final question that we wanted to address in this investigation was the creation of helical nanostructures through proper modification of the OPV backbone With chiral handles.The present thesis is a detailed and systematic approach to the realization of the above objectives which are presented in different chapters of the thesis.

Investigations on the structural, optical and Magnetic properties of nanostructured cerium oxide in pure and doped forms and its polymer nanocomposiets

This thesis Entitled INVESTIGATIONS ON THE STRUCTURAL, OPTICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED CERIUM OXIDE IN PURE AND DOPED FORMS AND ITS POLYMER NANOCOMPOSITES.Synthesis and processing of nanomatelials and nanostmctures are the essential aspects of nanotechnology. Studies on new physical properties and applications of nanomaterials and nanostructures are possible only when nanostructured materials are made available with desired size, morphology,crystal structure and chemical composition.Recently, several methods have been developed to prepare pure and doped CeO2 powder, including wet chemical synthesis, thermal hydrolysis, flux method, hydrothermal synthesis, gas condensation method, microwave technique etc. In all these, some special reaction conditions, such as high temperature, high pressure, capping agents, expensive or toxic solvents etc. have been involved.Another hi gh-li ght of the present work is room temperature ferromagnetism in cerium oxdie thin films deposited by spray pyrolysis technique.The observation of self trapped exciton mediated PL in ceria nanocrystals is another important outcome of the present study. STE mediated mechanism has been proposed for CeO2 nanocrystals based on the dependence of PL intensity on the annealing temperature. It would be interesting to extent these investigations to the doped forms of cerium oxide and cerium oxide thin films to get deeper Insight into STE mechanism.Due to time constraints detailed investigations could not be canied out on the preparation and properties of free standing films of polymer/ceria nanocomposites. It has been observed that good quality free standing films of PVDF/ceria, PS/C61‘l8, PMMA/ceria can be obtained using solution casting technique. These polymer nanocomposite films show high dielectric constant around 20 and offer prospects of applications as gate electrodes in metal-oxide semiconductor devices.

Far-infrared spectroscopy of nanoscopic InAs rings

We have employed time-dependent local-spin-density theory to analyze the far-infrared transmission spectrum of InAs self-assembled nanoscopic rings recently reported [A. Lorke et al., Phys. Rev. Lett. (to be published)]. The overall agreement between theory and experiment is fairly good, which on the one hand confirms that the experimental peaks indeed reflect the ringlike structure of the sample, and on the other hand, asseses the suitability of the theoretical method to describe such nanostructures. The addition energies of one- and two-electron rings are also reported and compared with the corresponding capacitance spectra

Helium in polygonal nanopores at zero temperature: Density functional theory calculations

We investigate adsorption of helium in nanoscopic polygonal pores at zero temperature using a finite-range density functional theory. The adsorption potential is computed by means of a technique denoted as the elementary source method. We analyze a rhombic pore with Cs walls, where we show the existence of multiple interfacial configurations at some linear densities, which correspond to metastable states. Shape transitions and hysterectic loops appear in patterns which are richer and more complex than in a cylindrical tube with the same transverse area.

The synthesis of high coercivity cobalt-in-carbon nanotube hybrid structures and their optical limiting properties

Magnetic heterostructures with carbon nanotubes having multiple functionalities are fascinating materials which can be manipulated by means of an external magnetic field. In this paper we report our investigations on the synthesis and optical limiting properties of pristine cobalt nanotubes and high coercivity cobalt-in-carbon nanotubes (a new nanosystem where carbon nanotubes are filled with cobalt nanotubes). A general mobility assisted growth mechanism for the formation of one-dimensional nanostructures inside nanopores is verified in the case of carbon nanotubes. The open-aperture z-scan technique is employed for the optical limiting measurements in which nanosecond laser pulses at 532 nm have been used for optical excitation. Compared to the benchmark pristine carbon nanotubes these materials show an enhanced nonlinear optical absorption, and the nonlinear optical parameters calculated from the data show that these materials are efficient optical limiters. To the best of our knowledge this is the first report where the optical limiting properties of metal nanotubes are compared to those of carbon nanotubes

On the Growth Mechanism of Nickel and Cobalt Nanowires and Comparison of Their Magnetic Properties

Magnetic nanowires (NWs) are ideal materials for the fabrication of various multifunctional nanostructures which can be manipulated by an external magnetic fi eld. Highly crystalline and textured nanowires of nickel (Ni NWs) and cobalt (Co NWs) with high aspect ratio (~330) and high coercivity have been synthesized by electrodeposition using nickel sulphate hexahydrate (NiSO4·6H2O) and cobalt sulphate heptahydrate (CoSO4·7H2O) respectively on nanoporous alumina membranes. They exhibit a preferential growth along〈110〉. A general mobility assisted growth mechanism for the formation of Ni and Co NWs is proposed. The role of the hydration layer on the resulting one-dimensional geometry in the case of potentiostatic electrodeposition is verified. A very high interwire interaction resulting from magnetostatic dipolar interactions between the nanowires is observed. An unusual low-temperature magnetisation switching for fi eld parallel to the wire axis is evident from the peculiar high fi eld M(T) curve

Synthesis of High Coercivity Core–Shell Nanorods Based on Nickel and Cobalt and Their Magnetic Properties

Hybrid magnetic nanostructures with high coercivity have immense application potential in various fields. Nickel (Ni) electrodeposited inside Cobalt (Co) nanotubes (a new system named Ni @ Co nanorods) were fabricated using a two-step potentiostatic electrodeposition method. Ni @ Co nanorods were crystalline, and they have an average diameter of 150 nm and length of *15 lm. The X-ray diffraction studies revealed the existence of two separate phases corresponding to Ni and Co. Ni @ Co nanorods exhibited a very high longitudinal coercivity. The general mobility-assisted growth mechanism proposed for the growth of one-dimensional nanostructures inside nano porous alumina during potentiostatic electrodeposition is found to be valid in this case too

Surface evolution of amorphous nanocolumns of Fe–Ni grown by oblique angle deposition

The growth of Fe–Ni based amorphous nanocolumns has been studied using atomic force microscopy. The root mean square roughness of the film surface increased with the deposition time but showed a little change at higher deposition time. It was found that the separation between the nanostructures increased sharply during the initial stages of growth and the change was less pronounced at higher deposition time. During the initial stages of the column growth, a roughening process due to self shadowing is dominant and, as the deposition time increases, a smoothening mechanism takes place due to the surface diffusion of adatoms

Enhanced UV emission from ZnO nanoflowers synthesized by the hydrothermal process

ZnO nanoflowers were synthesized by the hydrothermal process at an optimized growth temperature of 200 ◦C and a growth/reaction time of 3 h. As-prepared ZnO nanoflowers were characterized by x-ray diffraction, scanning electron microscopy, UV–visible and Raman spectroscopy. X-ray diffraction and Raman studies reveal that the as-synthesized flower-like ZnO nanostructures are highly crystalline with a hexagonal wurtzite phase preferentially oriented along the (1 0 1 1) plane. The average length (234–347 nm) and diameter (77–106 nm) of the nanorods constituting the flower-like structure are estimated using scanning electron microscopy studies. The band gap of ZnO nanoflowers is estimated as 3.23 eV, the lowering of band gap is attributed to the flower-like surface morphology and microstructure of ZnO. Room temperature photoluminescence spectrum shows a strong UV emission peak at 392 nm, with a suppressed visible emission related to the defect states, indicating the defect free formation of ZnO nanoflowers that can be potentially used for UV light-emitting devices. The suppressed Raman bands at 541 and 583 cm−1 related to defect states in ZnO confirms that the ZnO nanoflowers here obtained have a reduced presence of defects

Boosted UV emission at 349 nm from mesoporous ZnS

Relatively oxygen-free mesoporous cubic ZnS particles were synthesised via a facile solvo-hydrothermal route using a water–acetonitrile combination. Boosted UV emission at 349 nm is observed from the ZnS prepared by the solvo-hydrothermal route. The increased intensity of this UV emission is attributed to activation of whispering gallery modes of almost elliptical microstructures made of porous nanostructures.