Structure et propriétés optiques d oxydes de germanium contenant des nanostructures de germanium et influence de leur dopage à l erbium

Ce travail porte sur la caractérisation structurale et optique de couches minces d oxyde de germanium GeOx, de multicouches GeOx/SiO2 et de l influence du dopage à l erbium dans des couches minces GeOx:Er. Les films ont été préparés par évaporation d une poudre de GeO2 et dépôt sur des substrats maintenus à 100C. Les films sont sous-stœchiométriques avec une composition égale à GeO1,5. Sous l effet de recuits thermiques, il se produit une démixtion des films selon la réaction GeOx => GeO2 + Ge, ce qui a pour effet de générer des agrégats amorphes de germanium dans une matrice de GeO2. Les films de GeOx et les multicouches montrent, pour les températures de recuit inférieures à 400C, une bande de photoluminescence large à 800 nm attribuée aux défauts de GeOx. Cette bande disparaît après un recuit à 400C et une nouvelle bande attribuée aux agrégats amorphes de germanium confinés dans la matrice d oxyde de germanium apparaît à plus basse énergie. Le dopage des films d alliages GeOx par de l erbium permet d observer un signal de photoluminescence à 1,54 m caractéristique de la transition 4I13/2 => 4I15/2 dans les ions Er3+. Il est possible de corréler l intensité de cette bande à la présence de la bande à 800 nm dans les films dopés, ce qui suggère qu il existe un mécanisme de transfert d énergie entre la bande de défauts et le niveau 4I9/2 des ions erbium. Les expériences de passivation à l hydrogène confirment cette hypothèse puisque les films passivés non dopés, qui ne présentent pas de bande à 800 nm, ne montrent pas non plus de bande à 1,54 m lorsqu ils sont dopés.This thesis is reporting on the structural and optical characterization of GeOx germanium oxide thin films, of GeOx/SiO2 multilayers, and of the influence of erbium doping in the GeOx:Er thin films. The samples were prepared by evaporation of GeO2 powder and deposition on substrates maintained at 100C. The films are substoichiometric with the GeO1,5 composition. With annealing treatments, a demixtion phenomenon occurs in the films, according to the reaction GeOx => GeO2 + Ge, which corresponds to the appearance of amorphous germanium aggregates in a GeO2 matrix. For annealing temperatures less than 400C, the GeOx thin films and the multilayers show a broad band at 800 nm attributed to defects in the GeOx film. This band disappears after a thermal treatment at 400C and a new band appears at lower energy. This band is attributed to amorphous germanium aggregates confined in the germanium dioxide matrix. The doping of the GeOx films with erbium allows us to observe a photoluminescence signal at 1.54 m characteristic of the 4I13/2 => 4I15/2 transition in the Er3+ ions. It is possible to correlate the intensity of this band to the presence of the band at 800 nm in the doped films, which suggests that an energy transfer mechanism between the band of defects and the level 4I9/2 of the erbium ions. The experiments of passivation with hydrogen confirm this assumption since the passivated undoped films, which do not present any band at 800 nm, do not show either any band at 1.54 m when they are doped.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Étude de la magnétorésistance dans les alliages Fex SiO1-x et des multicouches discontinues FE/SiO

Des films minces d'alliages Fex(SiO)1-x et des multicouches discontinues Fe/SiO ont été préparés par coévaporation de fer et d'oxyde de silicium. La structure des films a été caractérisée par microscopie électronique, diffraction de rayons X et spectrométrie d'absorption infrarouge. Les propriétés magnétiques ont été décrites à partir des cycles d'hystérésis de l'aimantation en fonction du champ magnétique appliqué et des courbes FC-ZFC. Les propriétés de transport électronique ont été déterminées à partir de mesures de magnétorésistance. Les alliages Fex(SiO)1-x avec 0,40<=x<=0,50 sont superparamagnétiques et on observe un effet de magnétorésistance tunnel de l'ordre de 2% vers 100K. Les multicouches avec une épaisseur de fer comprise entre 5 et 8Å présentent également un comportement superparamagnétique. La magnétorésistance, mesurée dans les directions parallèle et perpendiculaire aux couches, reste inférieure à 2%.Thin films of Fex(SiO)1-x alloys and Fe/SiO discontinuous multilayers were prepared by coevaporation of iron and silicon oxyde. The structure of the films was characterized with electron microscopy, X?ray diffraction and infrared absorption spectrometry. The magnetic properties were described from the hysteresis loops of the magnetization versus the applied magnetic field and from FC-ZFC curves. The properties of electronic transport were determined from magnetoresistance measurements. The alloys with 0,30<=x<=0,50 are superparamagnetic and a tunnel magnetoresistance is observed. Its value is equal to about 2% near 100K. For an iron thickness between 5 and 8Å, the multilayers present a superparamagnetic behavior. The magnetoresistance, measured in the directions parallel and perpendicular to the films, remains less than 2%.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Corrélation entre propriétés structurales et propriétés de luminescence de films minces d'oxyde et de nitrure de silicium élaborés par évaporation

Ce travail est consacré à l'étude de films minces d'oxyde de silicium et de nitrure de silicium pur ou hydrogéné, respectivement élaborés par évaporation de silicium sous une atmosphère d'oxygène moléculaire ou sous un flux d'ions azote et hydrogène. Les différents films sont ensuite recuits sous vide jusqu'à 1100 C. La structure des films est caractérisée par spectroscopies d'absorption infrarouge, Raman, de photoémission de rayons X, de diffraction de rayons X en incidence rasante et par microscopie électronique à transmission. Les matériaux obtenus sont photoluminescents dans le domaine du visible et à température ambiante. L'origine de l'émission des photons est corrélée à la structure des films. Deux mécanismes de photoluminescence sont mis en évidence : celui de la recombinaison des porteurs entre les queues de bande et celui du confinement quantique des porteurs dans les grains de silicium de taille nanométrique insérés dans une matrice isolante.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Optical properties of GeOx/SiO2 multilayers : A possibility to create Bragg mirrors

Équipe 104 : NanomatériauxInternational audienceThe GeOx/SiO2 multilayers were grown on quartz substrates and experimentally studied using transmission and reflection spectroscopy. The experimental spectra were compared with calculated ones. The calculations have shown that twenty GeOx/SiO2 bilayers are enough for a mirror with reflection more than 99%. So, the GeOx/SiO2 multilayers can be used for production of Bragg mirrors for the visible range

Silicon nanocrystals as light sources (optical analysis and realisation of microcavities)

Ce travail de thèse concerne la réalisation et l'analyse des propriétés optiques de nanocristaux de silicium. Ces objets de taille nanométrique possèdent des propriétés optiques remarquables, en particulier de photoluminescence. Les propriétés de confinement quantique qui les caractérisent permettent d'obtenir un signal de luminescence intense dans le domaine du visible. Des composants optoélectroniques et photoniques ont été envisagés à base de nanocristaux de silicium. Les raisons physiques du fort signal de luminescence en revanche sont encore mal comprises. Les nanocristaux de silicium sont élaborés par évaporation. L'élaboration et le recuit thermique de multicouches SiO/SiO2 permet d'obtenir des nanocristaux de silicium de diamètre moyen bien contrôlé. Ceux-ci sont issus de la démixtion de la couche de SiO selon la réaction SiOx -> Si + SiO2. Le contrôle du diamètre des nanocristaux de silicium permet de maîtriser la région spectrale de luminescence dans la région du visible.La première partie de ce travail de thèse vise à isoler un ou quelques nanocristaux de silicium. L'objectif est de remonter à la largeur homogène de ces nano-objets. Dans un premier temps, une étude centrée sur le matériau SiOx est réalisée afin de réduire la densité surfacique de nanocristaux de silicium. Dans un deuxième temps, des moyens de lithographie ultime sont mis en oeuvre afin de réaliser des masques percés de trous de diamètres de l'ordre de la centaine de nanomètre. Des expériences de spectroscopie optique sont réalisées sur ces systèmes.La deuxième partie de ce travail vise à contrôler l'émission spontanée de lumière issue des nanocristaux de silicium. Ceci se fait en couplant les modes électroniques aux modes optiques confinés d'une microcavité optique. Le manuscrit détaille les moyens développés afin d'obtenir une microcavité optique dont les modes optiques puissent se coupler efficacement aux nanocristaux de silicium. Les propriétés optiques de ces systèmes sont finalement analysées.This work concerns the implementation and analysis of optical properties of silicon nanocrystals. These nanoscaled objects have remarkable optical properties, especially in photoluminescence. The properties of quantum confinement that characterize them allow obtaining an intense luminescence signal in the visible range. Optoelectronic and photonic devices have been proposed based on silicon nanocrystals. The physical reasons of the strong luminescence signal, however, are still poorly understood. The silicon nanocrystals are prepared by evaporation. The preparation and thermal annealing of multilayers SiO/SiO2 leads to silicon nanocrystals with a well controlled average diameter. They are created during the demixing of the SiO layer by the reaction SiO ? Si + SiO2. The control the diameter of the silicon nanocrystals influences directly the spectral region of luminescence in the visible region.The aim of first part of this work is to isolate one or a few silicon nanocrystals. The intent is to trace the homogeneous width of these nano-objects. Initially, a study focusing on the SiOx material is conducted to reduce the surface density of silicon nanocrystals. In a second step, lithography is implemented to make masks with holes with diameters of about one hundred nanometers. Optical spectroscopy experiments were performed on these systems.The second part of this work aims controlling the spontaneous emission of light from silicon nanocrystals. This is done by coupling the electronic transmission to optical modes confined in an optical microcavity. The manuscript describes the methods developed to obtain an optical microcavity whose optical modes can be coupled effectively to the silicon nanocrystals. The optical properties of these systems are finally analyzedNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Photoluminescence of erbium in SiOxNy alloys annealed at high temperature

Équipe 104 : NanomatériauxInternational audienceAmorphous silicon oxynitride SiOxNy ternary alloys were prepared by reactive evaporation, with stoichiometries varying between Si0.47O0.05N0.48 and Si0.35O0.65. These thin films were doped with erbium during the evaporation process with an effusion cell. The composition and the atomic structure were determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), infrared (IR) absorption spectrometry, and Raman spectrometry. Photoluminescence (PL) experiments were carried out in the visible and infrared ranges. The Er signal was maximum for equal amounts of oxygen and nitrogen in the SiOxNy alloys. It disappears for oxygen contents greater than 30%. Photoluminescence excitation (PLE) experiments show that the PL is due to an indirect excitation process from the pure silicon domains

Formation of Ge and GeSi nanocrystals in GeOx/SiO2 multilayers

Équipe 104 : NanomatériauxInternational audienceAmorphous GeOx films and GeOx/SiO2 multilayers were deposited by evaporations of GeO2 and SiO2 powders onto Si substrates maintained at 100 degrees C. The GeOx layer thickness in multilayer structures was varied from 4 to 1 nm, the thickness of SiO2 layers was 4 nm, all samples contain 10 periods. Evolution of structure and optical properties of the samples was investigated by Raman spectroscopy, infrared (IR)-absorption spectroscopy and ellipsometry for annealing temperatures up to 800 degrees C. Decomposition of the GeOx and appearance of amorphous Ge nanoclusters, Ge and GeSi nanocrystals (NCs) were observed. Correlations between the GeOx layer thicknesses and the structure of Ge and GeSi NCs were studied. The comparative analysis of evolution of the photoluminescence with the structure of the nanostructured GeOx layers and GeOx/SiO2 multilayers was carried out

Exaltation plasmonique de la luminescence de nanocristaux de silicium

International audienc

Silicon nanocrystals coupled with gold nanoparticles

International audienc

Iron Oxide/Polymer Core–Shell Nanomaterials with Star-like Behavior

International audienceEmbedding nanoparticles (NPs) with organic shells is a way to control their aggregation behavior. Using polymers allows reaching relatively high shell thicknesses but suffers from the difficulty of obtaining regular hybrid objects at gram scale. Here, we describe a three-step synthesis in which multi-gram NP batches are first obtained by thermal decomposition, prior to their covalent grafting by an atom transfer radical polymerization (ATRP) initiator and to the controlled growing of the polymer shell. Specifically, non-aggregated iron oxide NPs with a core principally composed of γ-Fe2O3 (maghemite) and either polystyrene (PS) or polymethyl methacrylate (PMMA) shell were elaborated. The oxide cores of about 13 nm diameter were characterized by dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), and small-angle X-ray scattering (SAXS). After the polymerization, the overall diameter reached 60 nm, as shown by small-angle neutron scattering (SANS). The behavior in solution as well as rheological properties in the molten state of the polymeric shell resemble those of star polymers. Strategies to further improve the screening of NP cores with the polymer shells are discussed