Dynamique de recombinaison radiative dans les nanofils InGaN/GaN : étude détaillée de la photoluminescence

Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Vers des assemblages de complexes métalliques oligonucléaires, servant d’antenne solaire au niveau moléculaire

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk

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.

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.

Dynamique de séparation de charges à l'hétérojonction de semi-conducteurs organiques

Une compréhension profonde de la séparation de charge à l’hétérojonction de semi-con- ducteurs organiques est nécessaire pour le développement de diodes photovoltaïques organiques plus efficaces, ce qui serait une grande avancée pour répondre aux besoins mondiaux en énergie durable. L’objectif de cette thèse est de décrire les processus impliqués dans la séparation de charges à hétérojonctions de semi-conducteurs organiques, en prenant en exemple le cas particulier du PCDTBT: PCBM. Nous sondons les excitations d’interface à l’aide de méthodes spectroscopiques résolues en temps couvrant des échelles de temps de 100 femto- secondes à 1 milliseconde. Ces principales méthodes spectroscopiques sont la spectroscopie Raman stimulée femtoseconde, la fluorescence résolue en temps et l’absorption transitoire. Nos résultats montrent clairement que le transfert de charge du PCDTBT au PCBM a lieu avant que l’exciton ne soit relaxé et localisé, un fait expérimental irréconciliable avec la théorie de Marcus semi-classique. La paire de charges qui est créée se divise en deux catégories : les paires de polarons géminales non piégées et les paires profondément piégées. Les premiers se relaxent rapidement vers l’exciton à transfert de charge, qui se recombine radiativement avec une constante de temps de 1– 2 nanoseconde, alors que les seconds se relaxent sur de plus longues échelles de temps via l’effet tunnel. Notre modèle photophysique quantitatif démontre que 2 % de l’excitation créée ne peut jamais se dissocier en porteurs de charge libre, un chiffre qui est en accord avec les rendements élevés rapportés pour ce type de système.

Comparing charge transport predictions for a ternary electrolyte using the Maxwell–Stefan and Nernst–Planck equations

In this work, we investigate and compare the Maxwell–Stefan and Nernst–Planck equations for modeling multicomponent charge transport in liquid electrolytes. Specifically, we consider charge transport in the Li+/I−/I3−/ACN ternary electrolyte originally found in dye-sensitized solar cells. We employ molecular dynamics simulations to obtain the Maxwell–Stefan diffusivities for this electrolyte. These simulated diffusion coefficients are used in a multicomponent charge transport model based on the Maxwell– Stefan equations, and this is compared to a Nernst–Planck based model which employs binary diffusion coefficients sourced from the literature. We show that significant differences between the electrolyte concentrations at electrode interfaces, as predicted by the Maxwell–Stefan and Nernst–Planck models, can occur. We find that these differences are driven by a pressure term that appears in the Maxwell–Stefan equations. We also investigate what effects the Maxwell–Stefan diffusivities have on the simulated charge transport. By incorporating binary diffusivities found in the literature into the Maxwell–Stefan framework, we show that the simulated transient concentration profiles depend on the diffusivities; however, the simulated equilibrium profiles remain unaffected.

The effect of charge on ultrafine particle deposition : an experimental pilot study

Eepidemiological studies have linked exposure to ultrafine particles (UFPs, <100 nm) to a variety of adverse health effects. To understand the mechanisms behind these effects, it is essential to measure aerosol deposition in the human respiratory tract. Electrical charge is a very important property as it may increase the particle deposition in human respiratory tract (Melanderi et al., 1983). However, the effect of charge on UFP deposition has seldom been investigated. The aim of this study is to investigate the effect of charge on UFP deposition in human lung, by conducting a pilot study using a tube-based experimental system.

Experimental study of the effect of charge on ultrafine particle deposition

The health effects of ultrafine particles (UFPs, <100 nm) have received increasing attention in recent years and particles from a variety of indoor sources, such as combustion or printer emissions, fall within this size range. Since people spend most of their time indoors, knowledge on aerosol deposition in the human respiratory tract is essential to minimise the health risks associated with environmental or occupational exposure to aerosol particles. Among the factors that could alter particle deposition, electrical charge is important as it may increase particle deposition in human respiratory tract (Melanderi et al., 1983), even when particles carry only a few charges. However, evidence showing such an increase in particle deposition for UFPs is sparse. The aim of this study was to investigate the effect of charge on the deposition of UFPs in the human lung by studying the deposition of charged particles in the conductive tubing of an experimental laboratory system.

Increased charge transfer of Poly (ethylene oxide) based electrolyte by addition of small molecule and its application in dye-sensitized solar cells

A Poly (ethylene oxide) based polymer electrolyte impregnated with 2-Mercapto benzimidazole was comprehensively characterized by XRD, UV–visible spectroscopy, FTIR as well as electrochemical impedance spectroscopy. It was found that the crystallization of PEO was dramatically reduced and the ionic conductivity of the electrolyte was increased 4.5 fold by addition of 2-Mercapto benzimidazole. UV–visible and FTIR spectroscopes indicated the formation of charge transfer complex between 2-Mercapto benzimidazole and iodine of the electrolyte. Dye-sensitized solar cells with the polymer electrolytes were assembled. It was found that both the photocurrent density and photovoltage were enhanced with respect to the DSC without 2-Mercapto benzimidazole, leading to a 60% increase of the performance of the cell.

Hybrid graphene and graphitic carbon nitride nanocomposite : gap opening, electron–hole puddle, interfacial charge transfer, and enhanced visible light response

Opening up a band gap and finding a suitable substrate material are two big challenges for building graphene-based nanodevices. Using state-of-the-art hybrid density functional theory incorporating long range dispersion corrections, we investigate the interface between optically active graphitic carbon nitride (g-C3N4) and electronically active graphene. We find an inhomogeneous planar substrate (g-C3N4) promotes electronrich and hole-rich regions, i.e., forming a well-defined electron−hole puddle, on the supported graphene layer. The composite displays significant charge transfer from graphene to the g-C3N4 substrate, which alters the electronic properties of both components. In particular, the strong electronic coupling at the graphene/g-C3N4 interface opens a 70 meV gap in g-C3N4-supported graphene, a feature that can potentially allow overcoming the graphene’s band gap hurdle in constructing field effect transistors. Additionally, the 2-D planar structure of g-C3N4 is free of dangling bonds, providing an ideal substrate for graphene to sit on. Furthermore, when compared to a pure g-C3N4 monolayer, the hybrid graphene/g-C3N4 complex displays an enhanced optical absorption in the visible region, a promising feature for novel photovoltaic and photocatalytic applications.

Hybrid graphene/titania nanocomposite : interface charge transfer, hole doping, and sensitization for visible light response

We demonstrated for the first time by large-scale ab initio calculations that a graphene/titania interface in the ground electronic state forms a charge-transfer complex due to the large difference of work functions between graphene and titania, leading to substantial hole doping in graphene. Interestingly, electrons in the upper valence band can be directly excited from graphene to the conduction band, that is, the 3d orbitals of titania, under visible light irradiation. This should yield well-separated electron−hole pairs, with potentially high photocatalytic or photovoltaic performance in hybrid graphene and titania nanocomposites. Experimental wavelength-dependent photocurrent generation of the graphene/titania photoanode demonstrated noticeable visible light response and evidently verified our ab initio prediction.

How to achieve maximum charge carrier loading on heteroatom-substituted graphene nanoribbon edges: density functional theory study

The practical number of charge carriers loaded is crucial to the evaluation of the capacity performance of carbon-based electrodes in service, and cannot be easily addressed experimentally. In this paper, we report a density functional theory study of charge carrier adsorption onto zigzag edge-shaped graphene nanoribbons (ZGNRs), both pristine and incorporating edge substitution with boron, nitrogen or oxygen atoms. All edge substitutions are found to be energetically favorable, especially in oxidized environments. The maximal loading of protons onto the substituted ZGNR edges obeys a rule of [8-n-1], where n is the number of valence electrons of the edge-site atom constituting the adsorption site. Hence, a maximum charge loading is achieved with boron substitution. This result correlates in a transparent manner with the electronic structure characteristics of the edge atom. The boron edge atom, characterized by the most empty p band, facilitates more than the other substitutional cases the accommodation of valence electrons transferred from the ribbon, induced by adsorption of protons. This result not only further confirms the possibility of enhancing charge storage performance of carbon-based electrochemical devices through chemical functionalization but also, more importantly, provides the physical rationale for further design strategies.