Electric Field Effects on Graphene Materials

Understanding the effect of electric fields on the physical and chemical properties of two-dimensional (2D) nanostructures is instrumental in the design of novel electronic and optoelectronic devices. Several of those properties are characterized in terms of the dielectric constant which play an important role on capacitance, conductivity, screening, dielectric losses and refractive index. Here we review our recent theoretical studies using density functional calculations including van der Waals interactions on two types of layered materials of similar two-dimensional molecular geometry but remarkably different electronic structures, that is, graphene and molybdenum disulphide (MoS2). We focus on such two-dimensional crystals because of they complementary physical and chemical properties, and the appealing interest to incorporate them in the next generation of electronic and optoelectronic devices. We predict that the effective dielectric constant (ε) of few-layer graphene and MoS2 is tunable by external electric fields (E ext). We show that at low fields (E ext < 0.01 V/Å) ε assumes a nearly constant value ∼4 for both materials, but increases at higher fields to values that depend on the layer thickness. The thicker the structure the stronger is the modulation of ε with the electric field. Increasing of the external field perpendicular to the layer surface above a critical value can drive the systems to an unstable state where the layers are weakly coupled and can be easily separated. The observed dependence of ε on the external field is due to charge polarization driven by the bias, which show several similar characteristics despite of the layer considered. All these results provide key information about control and understanding of the screening properties in two-dimensional crystals beyond graphene and MoS2

Development of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites for electrical applications

Combining intrinsically conducting polymers with carbon nanotubes (CNT) helps in creating composites with superior electrical and thermal characteristics. These composites are capable of replacing metals and semiconductors as they possess unique combination of electrical conductivity, flexibility, stretchability, softness and bio-compatibility. Their potential for use in various organic devices such as super capacitors, printable conductors, optoelectronic devices, sensors, actuators, electrochemical devices, electromagnetic interference shielding, field effect transistors, LEDs, thermoelectrics etc. makes them excellent substitutes for present day semiconductors.However, many of these potential applications have not been fully exploited because of various open–ended challenges. Composites meant for use in organic devices require highly stable conductivity for the longevity of the devices. CNT when incorporated at specific proportions, and with special methods contributes quite positively to this end.The increasing demand for energy and depleting fossil fuel reserves has broadened the scope for research into alternative energy sources. A unique and efficient method for harnessing energy is thermoelectric energy conversion method. Here, heat is converted directly into electricity using a class of materials known as thermoelectric materials. Though polymers have low electrical conductivity and thermo power, their low thermal conductivity favours use as a thermoelectric material. The thermally disconnected, but electrically connected carrier pathways in CNT/Polymer composites can satisfy the so-called “phonon-glass/electron-crystal” property required for thermoelectric materials. Strain sensing is commonly used for monitoring in engineering, medicine, space or ocean research. Polymeric composites are ideal candidates for the manufacture of strain sensors. Conducting elastomeric composites containing CNT are widely used for this application. These CNT/Polymer composites offer resistance change over a large strain range due to the low Young‟s modulus and higher elasticity. They are also capable of covering surfaces with arbitrary curvatures.Due to the high operating frequency and bandwidth of electronic equipments electromagnetic interference (EMI) has attained the tag of an „environmental pollutant‟, affecting other electronic devices as well as living organisms. Among the EMI shielding materials, polymer composites based on carbon nanotubes show great promise. High strength and stiffness, extremely high aspect ratio, and good electrical conductivity of CNT make it a filler of choice for shielding applications. A method for better dispersion, orientation and connectivity of the CNT in polymer matrix is required to enhance conductivity and EMI shielding. This thesis presents a detailed study on the synthesis of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites and their application in electronic devices. The major areas focused include DC conductivity retention at high temperature, thermoelectric, strain sensing and electromagnetic interference shielding properties, thermogravimetric, dynamic mechanical and tensile analysis in addition to structural and morphological studies.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Multiscale morphology design of hybrid halide perovskites through a polymeric template

Hybrid halide perovskites have emerged as promising active constituents of next generation solution processable optoelectronic devices. During their assembling process, perovskite components undergo very complex dynamic equilibria starting in solution and progressing throughout film formation. Finding a methodology to control and affect these equilibria, responsible for the unique morphological diversity observed in perovskite films, constitutes a fundamental step towards a reproducible material processability. Here we propose the exploitation of polymer matrices as cooperative assembling components of novel perovskite CH3NH3PbI3 : polymer composites, in which the control of the chemical interactions in solution allows a predictable tuning of the final film morphology. We reveal that the nature of the interactions between perovskite precursors and polymer functional groups, probed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and Dynamic Light Scattering (DLS) techniques, allows the control of aggregates in solution whose characteristics are strictly maintained in the solid film, and permits the formation of nanostructures that are inaccessible to conventional perovskite depositions. These results demonstrate how the fundamental chemistry of perovskite precursors in solution has a paramount influence on controlling and monitoring the final morphology of CH3NH3PbI3 (MAPbI3) thin films, foreseeing the possibility of designing perovskite : polymer composites targeting diverse optoelectronic applications.

Nonlinear Optics and Carrier Dynamics in Nanostructured and Two-Dimensional Materials

Understanding and measuring the interaction of light with sub-wavelength structures and atomically thin materials is of critical importance for the development of next generation photonic devices.  One approach to achieve the desired optical properties in a material is to manipulate its mesoscopic structure or its composition in order to affect the properties of the light-matter interaction.  There has been tremendous recent interest in so called two-dimensional materials, consisting of only a single to a few layers of atoms arranged in a planar sheet.  These materials have demonstrated great promise as a platform for studying unique phenomena arising from the low-dimensionality of the material and for developing new types of devices based on these effects.  A thorough investigation of the optical and electronic properties of these new materials is essential to realizing their potential.  In this work we present studies that explore the nonlinear optical properties and carrier dynamics in nanoporous silicon waveguides, two-dimensional graphite (graphene), and atomically thin black phosphorus. We first present an investigation of the nonlinear response of nanoporous silicon optical waveguides using a novel pump-probe method. A two-frequency heterodyne technique is developed in order to measure the pump-induced transient change in phase and intensity in a single measurement. The experimental data reveal a characteristic material response time and temporally resolved intensity and phase behavior matching a physical model dominated by free-carrier effects that are significantly stronger and faster than those observed in traditional silicon-based waveguides.  These results shed light on the large optical nonlinearity observed in nanoporous silicon and demonstrate a new measurement technique for heterodyne pump-probe spectroscopy. Next we explore the optical properties of low-doped graphene in the terahertz spectral regime, where both intraband and interband effects play a significant role. Probing the graphene at intermediate photon energies enables the investigation of the nonlinear optical properties in the graphene as its electron system is heated by the intense pump pulse. By simultaneously measuring the reflected and transmitted terahertz light, a precise determination of the pump-induced change in absorption can be made. We observe that as the intensity of the terahertz radiation is increased, the optical properties of the graphene change from interband, semiconductor-like absorption, to a more metallic behavior with increased intraband processes. This transition reveals itself in our measurements as an increase in the terahertz transmission through the graphene at low fluence, followed by a decrease in transmission and the onset of a large, photo-induced reflection as fluence is increased.  A hybrid optical-thermodynamic model successfully describes our observations and predicts this transition will persist across mid- and far-infrared frequencies.  This study further demonstrates the important role that reflection plays since the absorption saturation intensity (an important figure of merit for graphene-based saturable absorbers) can be underestimated if only the transmitted light is considered. These findings are expected to contribute to the development of new optoelectronic devices designed to operate in the mid- and far-infrared frequency range.  Lastly we discuss recent work with black phosphorus, a two-dimensional material that has recently attracted interest due to its high mobility and direct, configurable band gap (300 meV to 2eV), depending on the number of atomic layers comprising the sample. In this work we examine the pump-induced change in optical transmission of mechanically exfoliated black phosphorus flakes using a two-color optical pump-probe measurement. The time-resolved data reveal a fast pump-induced transparency accompanied by a slower absorption that we attribute to Pauli blocking and free-carrier absorption, respectively. Polarization studies show that these effects are also highly anisotropic - underscoring the importance of crystal orientation in the design of optical devices based on this material. We conclude our discussion of black phosphorus with a study that employs this material as the active element in a photoconductive detector capable of gigahertz class detection at room temperature for mid-infrared frequencies.

Mastering heterostructured colloidal nanocrystal properties for light-emitting diodes and solar cells

Solution-grown colloidal nanocrystal (NC) materials represent ideal candidates for optoelectronic devices, due to the flexibility with which they can be synthesized, the ease with which they can be processed for devicefabrication purposes and, foremost, for their excellent and size-dependent tunable optical properties, such as high photoluminescence (PL) quantum yield, color purity, and broad absorption spectra up to the near infrared. The advent of surfactant-assisted synthesis of thermodynamically stable colloidal solutions of NCs has led to peerless results in terms of uniform size distribution, composition, rational shape-design and the possibility of building heterostructured NCs (HNCs) comprising two or more different materials joined together. By tailoring the composition, shape and size of each component, HNCs with gradually higher levels of complexity have been conceived and realized, which are endowed with outstanding characteristics and optoelectronic properties. In this review, we discuss recent advances in the design of HNCs for efficient light-emitting diodes (LEDs) and photovoltaic (PV) solar cell devices. In particular, we will focus on the materials required to obtain superior optoelectronic quality and efficient devices, as well as their preparation and processing potential and limitations

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Bis(arylene-ethynylene)-s-tetrazines: A Promising Family of n-Type Organic Semiconductors?

We theoretically describe in this work the n-type semiconducting behavior of a set of bis(arylene-ethynylene)-s-tetrazines ((ArCC)2Tz), by comparing their electronic properties with those of their parent diaryl-s-tetrazines (Ar2Tz) after the introduction of ethynylene bridges. The significantly reduced internal reorganization energy for electron transfer is ascribed to an extended delocalization of the LUMO for (ArCC)2Tz as opposite to that for Ar2Tz, which was described mostly localized on the s-tetrazine ring. The largest electronic coupling and the corresponding electron transfer rates found for bis(phenyl-ethynylene)-s-tetrazine, as well as for some halogenated derivatives, are comparable to those reported for the best performing n-type organic semiconductor materials such as diimides and perylenes. The theoretical mobilities for the studied compounds turn out to be in the range 0.3–1.3 cm2 V–1 s–1, close to values experimentally determined for common n-type organic semiconductors used in real devices. In addition, ohmic contacts can be expected when these compounds are coupled to metallic cathodes such as Na, Ca, and Sm. For these reasons, the future application of semiconducting bis(phenyl-ethynylene)-s-tetrazine and its fluorinated and brominated derivatives in optoelectronic devices is envisioned.

Graphene and Semicondutor or Metallic Nanoparticles for Energy Conversion

The purpose of the present PhD thesis is to investigate the properties of innovative nano- materials with respect to the conversion of renewable energies to electrical and chemical energy. The materials have been synthesized and characterized by means of a wide spectrum of morphological, compositional and photophysical techniques, in order to get an insight into the correlation between the properties of each material and the activity towards different energy conversion applications. Two main topics are addressed: in the first part of the thesis the light harvesting in pyrene functionalized silicon nanocrystals has been discussed, suggesting an original approach to suc- cessfully increase the absorption properties of these nanocrystals. The interaction of these nanocrystals was then studied, in order to give a deeper insight on the charge and energy extraction, preparing the way to implement SiNCs as active material in optoelectronic devices and photovoltaic cells. In addition to this, the luminescence of SiNCs has been exploited to increase the efficiency of conventional photovoltaic cells by means of two innovative architectures. Specifically, SiNCs has been used as luminescent downshifting layer in dye sensitized solar cells, and they were shown to be very promising light emitters in luminescent solar concentrators. The second part of the thesis was concerned on the production of hydrogen by platinum nanoparticles coupled to either electro-active or photo-active materials. Within this context, the electrocatalytic activity of platinum nanoparticles supported on exfoliated graphene has been studied, preparing an high-efficiency catalyst and disclosing the role of the exfoliation technique towards the catalytic activity. Furthermore, platinum nanoparticles have been synthesized within photoactive dendrimers, providing the first proof of concept of a dendrimer-based photocatalytic system for the hydrogen production where both sensitizer and catalyst are anchored to a single scaffold.

Earth-Abundant Zinc-IV-Nitride Semiconductors

This investigation is motivated by the need for new visible frequency direct bandgap semiconductor materials that are abundant and low-cost to meet the increasing demand for optoelectronic devices in applications such as solid state lighting and solar energy conversion. Proposed here is the utilization of zinc-IV-nitride materials, where group IV elements include silicon, germanium, and tin, as earth-abundant alternatives to the more common III-nitrides in optoelectronic devices. These compound semiconductors were synthesized under optimized conditions using reactive radio frequency magnetron sputter deposition. Single phase ZnSnN₂, having limited experimental accounts in literature, is validated by identification of the wurtzite-derived crystalline structure predicted by theory through X-ray and electron diffraction studies. With the addition of germanium, bandgap tunability of ZnSn_xGe_1-xN₂ alloys is demonstrated without observation of phase separation, giving these materials a distinct advantage over In_xGa_1-xN alloys. The accessible bandgaps range from 1.8 to 3.1 eV, which spans the majority of the visible spectrum. Electron densities, measured using the Hall effect, were found to be as high as 10²² cm⁻³ and indicate that the compounds are unintentionally degenerately doped. Given these high carrier concentrations, a Burstein-Moss shift is likely affecting the optical bandgap measurements. The discoveries made in this thesis suggest that with some improvements in material quality, zinc-IV-nitrides have the potential to enable cost-effective and scalable optoelectronic devices.

Theory and optimisation of 1.3 and 1.55 μm (Al)InGaAs metamorphic quantum well lasers

The use of InGaAs metamorphic buffer layers (MBLs) to facilitate the growth of lattice-mismatched heterostructures constitutes an attractive approach to developing long-wavelength semiconductor lasers on GaAs substrates, since they offer the improved carrier and optical confinement associated with GaAs-based materials. We present a theoretical study of GaAs-based 1.3 and 1.55 μm (Al)InGaAs quantum well (QW) lasers grown on InGaAs MBLs. We demonstrate that optimised 1.3 μm metamorphic devices offer low threshold current densities and high differential gain, which compare favourably with InP-based devices. Overall, our analysis highlights and quantifies the potential of metamorphic QWs for the development of GaAs-based long-wavelength semiconductor lasers, and also provides guidelines for the design of optimised devices.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

ESTUDIO ESTRUCTURAL DE SEMICONDUCTORES USADOS EN APLICACIONES FOTOVOLTAICAS

Se presenta un estudio de las propiedades estructurales de los semiconductores Bi2S3, SnS, SnS2, SnS:Bi, Cu3BiS3 y Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) usados como capa absorbente en dispositivos optoelectrónicos. Todas las muestras fueron crecidas por procesos de co-evaporación de sus especies metálicas sobre sustratos de vidrio. El efecto de las condiciones de preparación sobre las propiedades estructurales y composición química han sido analizados y obtenidos a partir de difracción de rayos-X (XRD) y espectroscopia de electrones Auger (AES). Los resultados revelan que todos los compuestos crecen con estructura ortorrómbica, a diferencia del SnS2 y el CIGS, que crecen con estructura hexagonal y tetragonal, respectivamente. Los resultados composicionales revelaron que a partir de la deconvolución de sus picos se encontraron fases asociadas a Cu2Se y In2Se3

Development and optimization of fibre-shaped dye-sensitized solar cells employing an innovative fully organic sensitizer

The quality of human life depends to a large degree on the availability of energy. In recent years, photovoltaic technology has been growing extraordinarily as a suitable source of energy, as a consequence of the increasing concern over the impact of fossil fuels on climate change. Developing affordable and highly efficiently photovoltaic technologies is the ultimate goal in this direction. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) offer an efficient and easily implementing technology for future energy supply. Compared to conventional silicon solar cells, they provide comparable power conversion efficiency at low material and manufacturing costs. In addition, DSSCs are able to harvest low-intensity light in diffuse illumination conditions and then represent one of the most promising alternatives to the traditional photovoltaic technology, even more when trying to move towards flexible and transparent portable devices. Among these, considering the increasing demand of modern electronics for small, portable and wearable integrated optoelectronic devices, Fibre Dye-Sensitized Solar Cells (FDSSCs) have gained increasing interest as suitable energy provision systems for the development of the next-generation of smart products, namely “electronic textiles” or “e-textiles”. In this thesis, several key parameters towards the optimization of FDSSCs based on inexpensive and abundant TiO2 as photoanode and a new innovative fully organic sensitizer were studied. In particular, the effect of various FDSSCs components on the device properties pertaining to the cell architecture in terms of photoanode oxide layer thickness, electrolytic system, cell length and electrodes substrates were examined. The photovoltaic performances of the as obtained FDSSCs were fully characterized. Finally, the metal part of the devices (wire substrate) was substituted with substrates suitable for the textile industry as a fundamental step towards commercial exploitation.