Modelling of the Chemical and Light Interactions in Individual Metal Oxide Nanowires for Sensing Applications

[spa]En la presente tesis se analizan desde el punto de vista de la modelización teórica los mecanismos de interacción de gases y luz con nanohilos individuales de óxidos metálicos. Desde este enfoque novedoso, se pretende alcanzar una mayor compresión de los mecanismos de transducción que dan lugar a la utilidad de dichos materiales en aplicaciones de sensado químico y de luz. Los resultados que aquí se presentan permiten comprender los detalles de las interacciones de gases, tanto oxidantes como reductores, sobre superficies de óxidos metálicos; siendo especialmente remarcable el descubrimiento del papel clave que juegan las vacantes de oxígeno en superficie en este proceso. Así mismo, se proponen técnicas experimentales tanto para la generación controlada de dichas vacantes como para su posterior detección. De este modo se das las herramientas necesarias para controlar a voluntad la respuesta a gases de estos materiales. Des de el punto de vista de la detección de luz, se demuestra que la gran relevancia de los efectos de superficie en los nanohilos permite obtener fotorespuestas muy por encima de las conseguidas con otras tecnologías pero, como contrapartida, la respuesta dinámica se ve severamente penalizada. Por ello se proponen y demuestran diversos métodos para modificar la influencia de la superficie en la respuesta total de los nanohilos. Finalmente, en base al conocimiento adquirido, se demuestra que es posible acoplar ambas interacciones (gas-óxido metálico y luz-óxido metálico) para ampliar las aplicaciones de estos materiales. En particular, no sólo se demuestra que es posible activar la respuesta a gases por medio de la iluminación, sino que también se presenta un modelo que describe cuantitativamente este fenómeno, abriendo las puertas a un gran número de aplicaciones de detección de gas a temperatura ambient

Propriétés optiques et physiques des couches de nanofils de silicium poreux pour des applications photovoltaïques

National audienceDes nanofils verticaux en silicium poreux présentant une forte densité ont été élaborés sur substrat de silicium en utilisant un procédé électrochimique de gravure. Ces couches ont été observées par MEB et MET ce qui a permis d'en déduire que les nanofils de silicium poreux ont une forme conique. La réflectance de ces couches a été mesurée et est inférieure à 0.1% pour des épaisseurs supérieures à 10 µm. La réflectance de ces couches a été modélisée en utilisant le formalisme des matrices de transfert associé au modèle de Bruggeman et en considérant la forme conique observée de ces nanofils. Les résultats théoriques sont discutés et confirment ceux expérimentaux. La remarquable diminution de la réflectivité des ces couches montrent que les couches de nanofils en silicium poreux ont une forte potentialité comme couche antireflet pouvant être utilisée dans le domaine des cellules solaires

Microdispositifs pour applications capteurs

L'essentiel de ce travail de recherche consiste à mettre au point un procédé de fabrication d'une nouvelle structure à effet de champ apte à augmenter la sensibilité de détection d'espèces chimiques ou biologiques. Le travail prévoit la réalisation d'une structure de type nanofilaire pour le canal du transistor. L'intérêt de cette configuration est d'obtenir une surface d'échange importante entre la couche active et l'environnement ambiant. L'objectif final est d'étudier les potentialités d'utilisation de ces structures dans la réalisation de microcapteurs à très haute sensibilité

Modelling of the Chemical and Light Interactions in Individual Metal Oxide Nanowires for Sensing Applications

En la presente tesis se analizan desde el punto de vista de la modelización teórica los mecanismos de interacción de gases y luz con nanohilos individuales de óxidos metálicos. Desde este enfoque novedoso, se pretende alcanzar una mayor compresión de los mecanismos de transducción que dan lugar a la utilidad de dichos materiales en aplicaciones de sensado químico y de luz. Los resultados que aquí se presentan permiten comprender los detalles de las interacciones de gases, tanto oxidantes como reductores, sobre superficies de óxidos metálicos; siendo especialmente remarcable el descubrimiento del papel clave que juegan las vacantes de oxígeno en superficie en este proceso. Así mismo, se proponen técnicas experimentales tanto para la generación controlada de dichas vacantes como para su posterior detección. De este modo se das las herramientas necesarias para controlar a voluntad la respuesta a gases de estos materiales. Des de el punto de vista de la detección de luz, se demuestra que la gran relevancia de los efectos de superficie en los nanohilos permite obtener fotorespuestas muy por encima de las conseguidas con otras tecnologías pero, como contrapartida, la respuesta dinámica se ve severamente penalizada. Por ello se proponen y demuestran diversos métodos para modificar la influencia de la superficie en la respuesta total de los nanohilos. Finalmente, en base al conocimiento adquirido, se demuestra que es posible acoplar ambas interacciones (gas-óxido metálico y luz-óxido metálico) para ampliar las aplicaciones de estos materiales. En particular, no sólo se demuestra que es posible activar la respuesta a gases por medio de la iluminación, sino que también se presenta un modelo que describe cuantitativamente este fenómeno, abriendo las puertas a un gran número de aplicaciones de detección de gas a temperatura ambiente

Fabrication et caractérisation électrique de résistances à base de nanofils de silicium

International audienceCet article présente des travaux pratiques sur la réalisation et la caractérisation électrique de résistances fabriquées à partir de nanofils de silicium polycristallin synthétisés à partir d'outils lithographiques conventionnels de la technologie silicium. Les résistances sont fabriquées en salle blanche puis caractérisées électriquement par mesures I-V

Étude des propriétés électroniques et de la dynamique des charges dans diverses nanostructures semi-conductrices par la spectroscopie térahertz

Cette thèse présente les résultats de l’étude des propriétés électroniques de diverses nanostructures semi-conductrices. Le but principal est de déterminer l’influence du dopage, du désordre et des dimensions des nanostructures sur le transport des charges électroniques en utilisant des techniques de spectroscopie térahertz. Trois types de nanostructures sont étudiés dans cette thèse, notamment, des nanocomposites de silicium mésoporeux graphénisés, des nanofils de silicium ayant différents niveaux de dopage, et enfin des couches polycristallines d’InGaAs. L’étude des propriétés structurelles, optiques et diélectriques dans le domaine du térahertz des nanocomposites de silicium mésoporeux graphénisés est pionnière. Elle met en relief la stabilité de la morphologie et le caractère diélectrique des nanocomposites. La température du dépôt de la couche graphénisée est un paramètre important. La spectroscopie térahertz révèle que l’augmentation de la température de dépôt augmente l’indice de réfraction, diminue la porosité et induit la formation des états de surface aux interfaces Si/graphène. Par ailleurs, des mesures de photoluminescence indiquent que ces états de surface sont en partie responsables de la recombinaison non-radiative des photoporteurs. L’étude de la dynamique des photoporteurs par la spectroscopie pompe-optique sonde-térahertz montre que les états de surface aux interfaces Si/graphène se comportent comme des pièges de photoporteurs. La capture des photoporteurs s’effectue de 2 à 4 ps après l’excitation des nanocomposites graphénisés et est suivie de la recombinaison des photoporteurs dans les états des pièges pendant typiquement 25 ps. Les temps de capture et de recombinaison observés pour les nanocomposites sont considérablement plus petits que les temps de 74 ps et 730 ps dans la membrane libre de silicium mésoporeux en raison de la forte densité des pièges. Le transport de charges est affecté par une barrière de potentiel qui tend à confiner les photoporteurs dans le volume des nanocristallites de silicium. Cette barrière de potentiel est corrélée à la densité de pièges chargés. La mobilité effective dans les nanocomposites est la même que celle de la membrane libre de silicium mésoporeux malgré l’augmentation de la localisation des porteurs avec la température. Les travaux portant sur les nanofils de silicium crûs sur substrat de silicium révèlent une contribution très importante des porteurs crées dans le substrat à la dynamique générale ayant des temps vie de quelques nanosecondes pour des excitations à 400 nm et d’une dizaine de nanosecondes pour des excitations à 800 nm. Le transfert des nanofils sur une membrane d’acétate permet d’observer la dynamique des charges propres aux nanofils. Nos résultats démontrent que pour ces derniers échantillons, le temps de vie des photoporteurs diminue avec le dopage, typiquement de 100 ps dans des nanofils non-dopés, à typiquement 25 ps dans les échantillons dopés à 5 × 1019 cm−3. L’étude de l’influence de la fluence laser sur le temps de vie révèle que la chute du temps de vie avec le niveau de dopage résulte principalement d’une augmentation de la densité de pièges de surface avec le niveau du dopage. Toutefois, ces temps de vie relativement grands montrent une amélioration dans la passivation de surface des nanofils de silicium par rapport à ceux étudiés lors de travaux antérieurs. Des études précédentes montrent que l’implantation en ions Fe à hautes énergies d’une couche d’InGaAs cristalline amorphise la couche et augmente considérablement sa résistivité au-delà de 1000 Ω.cm. Dans cette thèse, la dynamique des photoporteurs est décrite selon un modèle physique de capture de photoélectrons par des pièges profonds créés durant l’implantation, suivie de leur recombinaison avec des trous en excès dans ces pièges chargés. Le temps de vie des photoporteurs augmente de 0,7 ps à 7 ps tandis que la densité de pièges diminue pour des températures de recuit dans l’intervalle de température allant de 300∘C à 700∘C. L’étude de la photoconductivité révèle l’impact de la localisation des charges par les défauts aux interfaces des grains et aussi par la taille de ces derniers. La mobilité effective déduite de l’analyse des courbes de photoconductivité est d’environ 2750 cm2/(V.s). D’un point de vue global, les résultats de la présente étude montrent que l’ingénierie des défauts d’interface dans les nanostructures semi-conductrices est d’intérêt tant pour la fabrication de matériaux photoconducteurs ultra-rapides que pour le développement de matériaux optoélectroniques

Dans un laboratoire de nanosciences

An english version of this article is available (http://arxiv.org/abs/1105.5566) and will be published in the C.R. Physique in a dossier devoted to the merits and risks of Nanotechnologies.La fabrication, l'observation et la manipulation d'objets très petits est un tour de force, mais ces objets, susceptibles de s'infiltrer partout sans être perçus, peuvent susciter la méfiance. Pour mieux apprécier la situation, nous décrivons l'activité d'un institut de recherche spécialisé dans les nanosciences, certaines des méthodes qui y sont utilisées, l'esprit de ses chercheurs et leur attitude vis à vis des risques. An english version of this article is available (http://arxiv.org/abs/1105.5566) and will be published in the C.R. Physique in a dossier devoted to the merits and risks of Nanotechnologies

Nanofils de silici : com més llargs, millors

Investigadors de la UAB han estudiat un dels més prometedors sistemes unidimensionals per a futures aplicacions en el camp de la nanoelectrònica: els nanofils de silici. Els científics han aconseguit estudiar sistemes més llargs que els analitzats fins ara i han conclòs que són més realistes i tenen una física molt més rica.Investigadores de la UAB han estudiado uno de los más prometedores sistemas unidimensionales para futuras aplicaciones en el campo de la nanoelectrónica: los nanohilos de silicio. Los científicos han conseguido estudiar sistemas más largos que los analizados hasta ahora y han llegado a la conclusión de que son más realistas y tienen una física mucho más rica.UAB researchers have studied one of the most promising unidimensional systems for future applications in the nanoelectronics field: the silicon nanowires. The scientists have studied silicon nanowires longer than those analyzed until now, and have concluded that are more realistic systems and with a much richer physics