Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

La bioaccumulation d’une nanoparticule d’argent (nAg) par l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii : distinguer la contribution de la particule de celle de l’ion Ag+

L’explosion de la nanotechnologie a permis l’intégration d’une multitude de nanoparticules dans des produits de consommation. Les nanoparticules d’argent (nAg) sont les plus utilisées à ces fins, selon les derniers recensements disponibles. La plupart des études toxicologiques, à ce jour, ont fait état de l’implication très évidente de l’ion Ag+ dans la toxicité aigüe des nAg; cependant, quelques études ont mis en évidence des effets toxicologiques dus aux nAg. Il y a un certain consensus à propos d’un risque de contamination des eaux douces via leur rejet par les effluents des réseaux d’aqueducs. Puisque les concentrations en Ag+ sont généralement très faibles dans les eaux douces (de l’ordre du pg L-1), de par la formation de complexes non-labiles avec des thiols (organiques et inorganiques) et des sulfures, la toxicité inhérente aux nAg pourrait ne pas être négligeable- comparativement aux tests en laboratoires. Cette étude s’intéressait donc aux mécanismes de bioaccumulation d’argent par l’algue verte C. reinhardtii suite à l’exposition à des nAg de 5 nm (enrobage d’acide polyacrylique). La bioaccumulation d’argent pour l’exposition à Ag+ servait de point de comparaison; également, les abondances de l’ARNm de l’isocitrate lyase 1 (ICL1) et de l’ARNm de Copper Transporter 2 (CTR2) étaient mesurées comme témoins biologiques de la bioaccumulation de Ag+. Les expériences ont été menées en présence d’un tampon organique (NaHEPES, 2 x 10-2 M; Ca2+, 5x 10-5 M) à pH de 7,00. Pour des expositions à temps fixe de 2 heures, la bioaccumulation d’argent pour nAg était supérieure à ce qui était prédit par sa concentration initiale en Ag+; cependant, il n’y avait pas de différence d’abondance des ARNm de ICL1 et de CTR2 entre nAg et Ag+. D’un autre côté, pour une exposition à temps variables, la bioaccumulation d’argent pour nAg était supérieure à ce qui était prédit par sa concentration initiale en Ag+ et une augmentation de l’abondance de l’ARNm de ICL1 était notée pour nAg. Cependant, il n’y avait aucune différence significative au niveau de l’abondance de l’ARNm de CTR2 entre nAg et une solution équivalente en Ag+. L’ajout d’un fort ligand organique (L-Cystéine; log K= 11,5) à une solution de nAg en diminuait radicalement la bioaccumulation d’argent par rapport à nAg-sans ajout de ligand. Par contre, l’abondance des ARNm de ICL1 et de CTR2 étaient stimulées significativement par rapport à une solution contrôle non-exposée à nAg, ni à Ag+. Les résultats suggéraient fortement que les nAg généraient des ions Ag+ au contact de C. reinhardtii.

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.

New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

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.

Synthesis of ZnO nanoparticles by hydrothermal method

Stable, OH free zinc oxide (ZnO) nanoparticles were synthesized by hydrothermal method by varying the growth temperature and concentration of the precursors. The formation of ZnO nanoparticles were confirmed by x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and selected area electron diffraction (SAED) studies. The average particle size have been found to be about 7-24 nm and the compositional analysis is done with inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES). Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) results shows that the band gap of ZnO nanoparticles is blue shifted with decrease in particle size. Photoluminescence properties of ZnO nanoparticles at room temperature were studied and the green photoluminescent emission from ZnO nanoparticles can originate from the oxygen vacancy or ZnO interstitial related defects.

Fabrication and Characterization of Spray Pyrolysed Cadmium Sulphide Homojunction Solar Cells

The study on the fabrication and characterization of spray pyrolysed cadmium sulphide homojunction solar cells. As an alternative to the conventional energy source, the PV technology has to be improved. Study about the factors affecting the performance of the existing solar cells and this will result in the enhancement of efficiency of the cells. At the same time it is equally important to have R&D works on developing new photovoltaic devices and processes which are less expensive for large scale production. CdS is an important binary compound semiconductor, which is very useful in the field of photovoltaics. It is very easy to prepare large area CdS thin films. In order to fabricate thin film homojunction cadmium sulphide cells, prepared and characterized SnO2 thin film as the lower electrode, p-CdS as the active layer and n-CdS as window layer. Cadmium material used for the fabrication of homojunction solar cells is highly toxic. The major damage due to continued exposure to low levels of cadmium are on the kidneys, lungs and bones. The real advantage of spray pyrolysis process is that there is no emission of any toxic gases during the deposition. Very low concentration of the chemicals is needed in this process. The risk involved from this material is very low, though they are toxic. On large scale usage it may become necessary that the cells after their life, should be bought back by the companies to retrieve chemicals like cadmium. This will reduce environmental problem and also the material wastage

Automation of Chemical Spray Pyrolysis Unit and Fabrication of Sprayed CuInS2/In2S3 Solar Cell

Aim of the present work was to automate CSP process, to deposit and characterize CuInS2/In2S3 layers using this system and to fabricate devices using these films.An automated spray system for the deposition of compound semiconductor thin films was designed and developed so as to eliminate the manual labour involved in spraying and facilitate standardization of the method. The system was designed such that parameters like spray rate, movement of spray head, duration of spray, temperature of substrate, pressure of carrier gas and height of the spray head from the substrate could be varied. Using this system, binary, ternary as well as quaternary films could be successfully deposited.The second part of the work deal with deposition and characterization of CuInS2 and In2S3 layers respectively.In the case of CuInS2 absorbers, the effects of different preparation conditions and post deposition treatments on the optoelectronic, morphological and structural properties were investigated. It was observed that preparation conditions and post deposition treatments played crucial role in controlling the properties of the films. The studies in this direction were useful in understanding how the variation in spray parameters tailored the properties of the absorber layer. These results were subsequently made use of in device fabrication process.Effects of copper incorporation in In2S3 films were investigated to find how the diffusion of Cu from CuInS2 to In2S3 will affect the properties at the junction. It was noticed that there was a regular variation in the opto-electronic properties with increase in copper concentration.Devices were fabricated on ITO coated glass using CuInS2 as absorber and In2S3 as buffer layer with silver as the top electrode. Stable devices could be deposited over an area of 0.25 cm2, even though the efficiency obtained was not high. Using manual spray system, we could achieve devices of area 0.01 cm2 only. Thus automation helped in obtaining repeatable results over larger areas than those obtained while using the manual unit. Silver diffusion on the cells before coating the electrodes resulted in better collection of carriers.From this work it was seen CuInS2/In2S3 junction deposited through automated spray process has potential to achieve high efficiencies.

Investigations on the preparation of composite polysaccharide films and micro / nanoparticles for novel applications

chemical Sciences and Technology Division, National Institute for Interdisciplinary Science and Technology, CSIR

Supramolecular Organization of Metal Nanoparticles in Solution and of Phenyleneethynylenes on Surfaces

Most of the procedures reported for the synthesis of metal nanoparticles involve the use of strong reducing agents or elevated temperatures. This limits the possibility of developing metal nanoparticle based sensors for the in situ detection of analytes. One of the objectives of the present investigations is to (i) develop newer methodologies for the synthesis of metal nanoparticles in aqueous medium at ambient conditions and (ii) their use in the detection of metal cations by taking advantage of the unique coordination ability. Ideally, biocompatible molecules which possess both the reducing and stabilizing groups are desirable for such applications. Formation of stable supramolecular assembly, by bringing metal nanoparticles close to each other, results in plasmon coupling and this strategy can be effectively utilized for the development of metal nanoparticle based sensors.Another objective of the present study is to understand the supramolecular organization of molecules on surfaces. Various noncovalent interactions between the molecules and with surface play a decisive role in their organizations. An in-depth understanding of these interactions is essential for device fabrications. Recent photophysical studies have revealed that phenyleneethynylene based molecular systems are ideal for device application. The second objective of the thesis focuses on understanding the (i) organization of phenyleneethynylenes on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) surface with atomic level precision and (ii) weak intermolecular interactions which drive their organization.

Investigations on novel polymer nano composites and bio-compatible manganese doped ZnS nanocrystals for photonic and bio-imaging applications

Fluorescence is a powerful tool in biological research, the relevance of which relies greatly on the availability of sensitive and selective fluorescent probes. Nanometer sized fluorescent semiconductor materials have attracted considerable attention in recent years due to the high luminescence intensity, low photobleaching, large Stokes’ shift and high photochemical stability. The optical and spectroscopic features of nanoparticles make them very convincing alternatives to traditional fluorophores in a range of applications. Efficient surface capping agents make these nanocrystals bio-compatible. They can provide a novel platform on which many biomolecules such as DNA, RNA and proteins can be covalently linked. In the second phase of the present work, bio-compatible, fluorescent, manganese doped ZnS (ZnS:Mn) nanocrystals suitable for bioimaging applications have been developed and their cytocompatibility has been assessed. Functionalization of ZnS:Mn nanocrystals by safe materials results in considerable reduction of toxicity and allows conjugation with specific biomolecules. The highly fluorescent, bio-compatible and water- dispersible ZnS:Mn nanocrystals are found to be ideal fluorescent probes for biological labeling

Growth of metal and semiconductor nanostructures for nonlinear optical applications

Nonlinear optics has been a rapidly growing field in recent decades since the invention of lasers. The systematic progress in the laser technology increases our efficiency in the generation and control of coherent optical radiations. Nonlinear optics is based on the study ofeffects and phenomena related to the interaction of intense coherent light radiation with matter. Compared to other light sources laser radiation can provide high directionality, high monochromaticiry, high brightness and high photon degeneracy. At such a very intense incident beam, the matter responds in a nonlinear manner to the incident radiation fields, which endows the media :1 characteristic to change the refractive index or absorption coe fflcient of the media or the wavelength, or the frequency of the incident electromagnetic waves. This thesis encompasses the fabrication of nonlinear optical devices based on semiconductor and metal nanostructures. The presented work focus on the experimental and theoretical discussions on nonlinear optical effects especially nonlinear absorption and refraction exhibitted by metal and semiconductor nanostructures

Optically transparent magnetic nanocomposites based on encapsulated Fe3O4 nanoparticles in a sol–gel silica network

Composite Fe3O4–SiO2 materials were prepared by the sol–gel method with tetraethoxysilane and aqueous-based Fe3O4 ferrofluids as precursors. The monoliths obtained were crack free and showed both optical and magnetic properties. The structural properties were determined by infrared spectroscopy, x-ray diffractometry and transmission electron microscopy. Fe3O4 particles of 20 nm size lie within the pores of the matrix without any strong Si–O–Fe bonding. The well established silica network provides effective confinement to these nanoparticles. The composites were transparent in the 600–800 nm regime and the field dependent magnetization curves suggest that the composite exhibits superparamagnetic characteristics

Evidence for intergranular tunnelling in polyaniline passivated α-Fe nanoparticles

Nanoparticles are of immense importance both from the fundamental and application points of view. They exhibit quantum size effects which are manifested in their improved magnetic and electric properties. Mechanical attrition by high energy ball milling (HEBM) is a top down process for producing fine particles. However, fineness is associated with high surface area and hence is prone to oxidation which has a detrimental effect on the useful properties of these materials. Passivation of nanoparticles is known to inhibit surface oxidation. At the same time, coating polymer film on inorganic materials modifies the surface properties drastically. In this work a modified set-up consisting of an RF plasma polymerization technique is employed to coat a thin layer of a polymer film on Fe nanoparticles produced by HEBM. Ball-milled particles having different particle size ranges are coated with polyaniline. Their electrical properties are investigated by measuring the dc conductivity in the temperature range 10–300 K. The low temperature dc conductivity (I–V ) exhibited nonlinearity. This nonlinearity observed is explained on the basis of the critical path model. There is clear-cut evidence for the occurrence of intergranular tunnelling. The results are presented here in this paper

Template-Assisted Synthesis and Characterization of Passivated Nickel Nanoparticles

Potential applications of nickel nanoparticles demand the synthesis of self-protected nickel nanoparticles by different synthesis techniques. A novel and simple technique for the synthesis of self-protected nickel nanoparticles is realized by the inter-matrix synthesis of nickel nanoparticles by cation exchange reduction in two types of resins. Two different polymer templates namely strongly acidic cation exchange resins and weakly acidic cation exchange resins provided with cation exchange sites which can anchor metal cations by the ion exchange process are used. The nickel ions which are held at the cation exchange sites by ion fixation can be subsequently reduced to metal nanoparticles by using sodium borohydride as the reducing agent. The composites are cycled repeating the loading reduction cycle involved in the synthesis procedure. X-Ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron microscopy, Energy Dispersive Spectrum, and Inductively Coupled Plasma Analysis are effectively utilized to investigate the different structural characteristics of the nanocomposites. The hysteresis loop parameters namely saturation magnetization and coercivity are measured using Vibrating Sample Magnetometer. The thermomagnetization study is also conducted to evaluate the Curie temperature values of the composites. The effect of cycling on the structural and magnetic characteristics of the two composites are dealt in detail. A comparison between the different characteristics of the two nanocomposites is also provided