Physique
Elaboration et caractérisation des couches minces de ZnO dopés ou co-dopés. Application en optique et en photonique
L’oxyde de zinc (ZnO) est un semi-conducteur à large bande interdite (3,37 eV à la température ambiante) qui possède une importante énergie de liaison des excitons (60 meV). C’est un matériau piézoélectrique, transparent dans le visible possédant une mobilité électrique élevée et une forte luminescence à la température ambiante. Ces propriétés font de ZnO un bon candidat pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques modernes telles que les diodes laser et les diodes émettrices de lumière et des dispositifs optoélectroniques fonctionnant dans le domaine spectral UV-visible (violette et bleue). En plus, Les couches minces de ZnO sont utilisées pour la fabrication des cellules solaires, des électrodes transparentes, des détecteurs de gaz, … etc.Le dopage de ZnO permet de moduler son diagramme énergétique en termes d’absorption et d’émission et induit un changement considérable de ses propriétés photoélectriques et optiques. Les métaux de transition ou des terres rares sont généralement utilisés comme principaux dopants. L’introduction des lanthanides dans le semi-conducteur de ZnO permet d’exalter la photoluminescence (PL) dans le domaine du visible.Le ZnO a été élaboré par diverses méthodes physiques (PVD, Ablation laser, épitaxie par jet moléculaire, pulvérisation cathdique) et chimiques qui incluent les méthodes en phase gazeuse (CVD, épitaxie à couche atomique (ALE)) et les techniques à solutions (spray pyrolyse et le sol-gel). Ces dernières méthodes, qui font partie de la chimie douce, emploient des solutions comme précurseurs. Dans le cadre de cette thèse, on s’intéresse à élaborer des couches minces de ZnO dopé ou co-dopé avec les éléments tels que l’argent, l’aluminium, l’azote….etc. Le semi-conducteur sera élaboré par le procédé sol-gel qui est une méthode moins couteuse, facile à mettre en œuvre, opérante à la température ambiante et ne nécessite pas de gros matériels. On cherche à optimiser les conditions d’élaboration et à déterminer les éléments de dopage ainsi que leurs concentrations optimales qui lui confèrent de meilleures propriétés physiques nécessaires pour des applications dans le domaine de l’optique et la photonique. Pour le dépôt des couches minces les techniques spin-coating et dip-coating seront utilisées. Pour une meilleure maitrise des paramètres expérimentaux, l’élaboration de ZnO se fera en tenant compte de plusieurs paramètres comme la vitesse de tirage, le nombre de couches, les températures du séchage et du recuit et, éventuellement de la concentration en élément dopant. Les propriétés physiques des matériaux élaborés seront étudiées en fonction des paramètres suscités. Nous étudierons les propriétés structurales, morphologiques et optiques des cristallites de ZnO en essayant à chaque fois de varier les paramètres expérimentaux pour avoir de meilleurs résultats. Voir les détails
Mots clés : sol-gel, Dip coating, couches minces, ZnO
Elaboration et Etude des propriétés Photonique du Graphene
Le graphène est l’un des matériaux les plus prometteurs pour une technologie du futur. Il se distingue des autres matériaux par ses propriétés électroniques remarquables accompagnées à la fois d’une grande flexibilité mécanique, d’une grande robustesse, et d’une grande stabilité chimique. Aujourd’hui, le graphène sort des laboratoires de recherche fondamentale et fait son chemin vers l’industrie en raison de son grand potentiel pour des applications diverses. Malgré le nombre important des méthodes de synthèse développées, la synthèse de couches de graphène reste encore confidentielle et nécessite des améliorations significatives en vue des applications potentielles prédites par les travaux de recherches. Le graphène, du fait de sa difficulté d’élaboration est l’un des matériaux les plus chers à l’heure actuelle et il est d’urgence de développer de nouvelles méthodes de synthèse présentant un meilleur rendement afin d’abaisser le coût de d’élaboration. La synthèse de production de graphène par voie électrochimique est une méthode qui permet d’obtenir des couches fines de graphène. Cette méthode de synthèse nécessite une étude d’optimisation des paramètres expérimentaux (composition chimique) afin de permettre le contrôle des propriétés de ces couches de graphène. Cette étude est accompagnée d’une caractérisation morphologique et structurale des couches de graphène élaborées. Voir les détails
Mots clés : Graphène, Nano carbone, Nanomatériau
Simulation des propriétés électrique d'une jonction à base de GaN. Application aux détecteurs de rayonnement
Le GaN est un matériau semiconducteur à large bande interdite dont les très bonnes caractéristiques électriques et thermiques en fond un candidat idéale pour la fabrication de composants dans le domaine de la puissance et des détecteurs de rayonnement. Les travaux menée durant ces dernières années sont en vue de la conception de détecteur de particule, plus résistant aux radiations. Dans la continuité, ce projet traite les propriétés électriques d'une jonction a base de GaN utilisée comme détecteur de rayonnement en vue de suggérer un composant plus résistant que le Si et le GaAs. L'étude de ce projet est la simulation des caractéristiques I-V , C-V et l'efficacité de collection de charge d'une jonction a base de GaN sans et sous radiations par le développement d'un code de calcul. Ensuite, une étape de simulation de tel jonction est prévue sur le logiciel SILVACO en vue de comparer ces résultats avec des résultats expérimentaux existant. Voir les détails
Mots clés : Radiation hardness, Radiation detection, Detector, Traps, GaN
Étude de la Propagation des Solitons Vectoriels dans les Systèmes à Multiplexage Ultradence en Longueur d’onde
Pour décrire numériquement les caractéristiques de la propagation et de l’interaction du soliton vectoriel avec glissement de fréquence dans les systèmes à multiplexage ultradence en longueur d’onde (U-DWDM pour Ultra-Dence Wavelength Division Multiplexing) avec gestion de la dispersion, de la nonlinéarité, et des pertes, on utilise une méthode appelée «the compact split step Padé scheme (CSSPS)». En général, la propagation du soliton vectoriel dans les fibres optiques managées est gouvernée par un système d'équations de Schrödinger non linéaires couplées avec des coefficients variables. Habituellement, le système d'équations de Schrödinger non linéaires couplées avec des coefficients variables n'est pas intégrable. Mais on peut obtenir des solutions exactes de ce système d’équations en utilisant plusieurs méthodes pour quelques cas spéciaux. Alors, pour faire une étude complète, on a entamé les simulations en faisant choisir les paramètres des trains d’impulsions solitoniques ainsi que les paramètres linéaires et non linéaires. Voir les détails
Mots clés : Train des solitons vectoriels Solitons chirpés, Fibers optiques biréfringents, « compact split step Padé scheme », Equations de Schrödinger non linéaires couplées d’ordre supérieur avec des coefficients variable.
ETUDE DE L’INFLUENCE DE : Er3+ ET Alq3 SUR LES PROPRIETES STRUCTURALES ET OPTIQUES DES COUCHES MINCES DE TiO2
Les semi-conducteurs transparents (OTC) sont des oxydes avec de de bons propriétés optiques, électriques et magnétiques, ils peuvent devenir « de type n » s’ils possèdent un excès d’électrons dans leur réseau, soit par des défauts de structure, ou par un dopage approprié selon l’application visée. Ce travail de thèse consiste à élaborer des couches minces de TiO2 dopées en différentes concentrations d’erbium et d’Alq3, nous avons opté pour le procédé sol gel grâce à ces faibles coûts, qualité des couches et la facilité de sa mise en œuvre. Dans ce travail nous nous sommes intéressés à l’étude les modifications dues aux dopants luminescents sur la matrice de TiO2 en termes de stœchiométrie, de porosité, cristallinité, la morphologie, l’indice de réfraction et l’absorbance des films. Les techniques de caractérisation adoptées sont : la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie à force atomique (AFM), la diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie Raman, l’ellipsométrie (EM), la spectrophotométrie UV- visible, la photoluminescence (PL), la VSM et la spectroscopie des lignes noires (m-lines). Nous envisagerons des applications tel que : la télécommunication optique, les guides d’ondes et les semi-conducteurs dilués. Voir les détails
Mots clés : TiO2, dopage Er3+, dopageAlq3, sol-gel, Propriétés structurales et optiques.
Analyse de la neutralisation du dopant dans le silicium par l’hydrogène pour une éventuelle corrélation avec la tension en circuit ouvert mesurée sur des cellules photovoltaïques à base de silicium
Notre objectif très ambitieux dans ce sujet de thèse est bien situé dans le contexte des programmes de recherche et de développement où de réels espoirs sont fondés sur la réalisation des cellules photovoltaïques à base du silicium polycristallin en couches minces afin de réduire l’épaisseur des cellules qui représente 60% du coût final du module photovoltaïque. Néanmoins, afin de consolider le potentiel photovoltaïque qu’offre la filière poly-Si en couches minces, les chercheurs ont été amenés à diminuer l’activité électrique des joints de grains à travers la passivation des différents défauts notamment inter- et intra-grains par l’introduction de l’hydrogène atomique dans le matériau polycristallin. En conséquence, ils ont enregistré une amélioration des propriétés électroniques, en particulier la tension en circuit-ouvert. Néanmoins, l’hydrogène neutralise les atomes donneurs et accepteurs dans le silicium, par suite de la formation des complexes dopant-hydrogène. Aussi, La concentration active des dopants dans le silicium est un paramètre crucial pour définir les propriétés électroniques des dispositifs conçus à base de ces matériaux. Ainsi, un bon contrôle du dopage est possible si seulement si une corrélation appropriée entre la neutralisation du dopant et la passivation des défauts due aux traitements d’hydrogénation est prise en compte. Par ailleurs, afin de mener à bien cette étude, il est souvent utile d'introduire de l’hydrogène d'une façon contrôlable. En conséquence, un certain nombre de techniques d'hydrogénation peuvent êtres utilisés, en particulier, le bombardement ionique et les plasmas de H. Par ailleurs, différentes méthodes ont été développées pour déterminer les profils de dopage dan le silicium. Ces méthodes sont classifiées dans deux catégories principales : destructif, comme la spectroscopie de masse des ions secondaires (SIMS), Spectroscopie de rétrodiffusion Rutherford (RBS) et l'analyse de la profilométrie de résistivité (SRP) ou non destructif, comme la méthode de mesure de la caractéristique capacité-tension (C-V). Voir les détails
Mots clés : cellules photovoltaïques, Silicium, passivation, capacité-tension (C-V)
Structural, electronic, optical and elastic properties, vibrational properties of the complex K2PtCl6-structure hydrides ARuH6 (A = Mg, Ca, Sr and Ba): first principles study
We report a systematic study of the structural, electronic, optical and elastic properties of the ternary ruthenium-based hydrides A2RuH6 (A = Mg, Ca, Sr and Ba) within two complementary first-principles approaches. We describe the properties of the A2RuH6 systems looking for trends on different properties as a function of the A sublattice. Our results are in agreement with experimental ones when the latter are available. In particular, our theoretical lattice parameters obtained using the GGA-PBEsol to include the exchange-correlation functional are in good agreement with experiment. Analysis of the calculated electronic band structure diagrams suggests that these hydrides are wide nearly direct band semiconductors, with a very slight deviationfrom the ideal direct-band gap behaviour and they are expected to have a poor hole-type electrical conductivity. The TB-mBJ potential has been used to correct the deficiency of the standard GGA for predicting the optoelectronic properties. The calculated TB-mBJ fundamental band gaps are about 3.53, 3.11, 2.99 and 2.68 eV for Mg2RuH6, Ca2RuH6, Sr2RuH6 and Ba2RuH6, respectively. Calculated density of states spectra demonstrates that the topmost valence bands consist of d orbitals of the Ru atoms, classifying these materials as d-type hydrides. Analysisof charge density maps tells that these systems can be classified as mixed ionic-covalent bonding materials. Optical spectra in a wide energy range from 0 to 30 eV have been provided and the origin of the observed peaks and structures has been assigned. Optical spectra in the visible range of solar spectrum suggest these hydrides for use as antireflection coatings. The single-crystal and polycrystalline elastic moduli and their related properties have been numerically estimated and analysed for the first time. Voir les détails
Mots clés : Ruthenium-based hydrides, First-Principles calculations, Elastic constants, optical properties, vibrational properties, electronic structure.
Contribution à l’étude des propriétés physiques des pérovskites dans différentes phases structurales.
Les matériaux de structure pérovskite ont été et font toujours l’objet de nombreuses études (les condensateurs diélectriques, dispositifs piézo-électriques, les cellules photovoltaïques). Les différentes études effectuées sur les matériaux de type pérovskite démontrent la richesse de cette famille. Peu de composées pérovskites présentent la structure idéale cubique, la maille est en fait plus ou moins déformée. Notre travail est motivé par le manque de travaux concernant différentes phases structurales des pérovskites (cubiques, orthorhombiques, hexagonales,…etc.) ainsi que la possibilité de transition entre eux. La recherche de la phase fondamentale et les propriétés physiques appropriées représentent en fait l’objectif global de la thèse. Pour accomplir ce travail, on va utiliser une méthode ab initio. La méthode repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Voir les détails
Mots clés : Perovskite, DFT, ab-initio, FP-LAPW.
Synthèse et étude de matériaux Cu(Al.Ga)Te2 à structure chalcopyrite en couches minces.
Le sujet de recherche ambitionne la réalisation de couches minces à base de matériaux à structure chalcopyrite en vue de développement de nouvelles applications dans le domaine de l’énergie solaire photovoltaïque. Des recherches de nouveaux absorbeurs à base de cuivre sans indium sont menées actuellement à travers le monde. Nous proposons de faire la synthèse par broyage mécanique des matériaux Cu(Al.Ga)Te2 pollycristallins à structure chalcopyrite et leurs élaborations en couches minces par évaporation thermique de la poudre synthétisée. La compréhension des relations entre propriétés optiques, cristallochimiques et mécanismes de croissance de ces nanostructures est impérative pour réaliser les applications envisagées. Voir les détails
Mots clés : Cu(Al.Ga)Te2, Chalcopyrite, Semi-conducteurs, Evaporation, Cellule solaire.
Application de la théorie de Judd–Ofelt pour l’étude des transitionsintra-configurationnelles des ions terres rares insérés dans nano-cristaux -
Les matériaux inorganiques activés aux ions terres rares sont largement employés comme des matériaux pour la détection des rayonnements nucléaires, lasers et autres applications dans le domaine photonique. La lumière émise sous l’influence des rayonnements excitatrices peut avoir des transitions dipolaires électriques 5d - 4f ou/et les transitions dipolaires magnétiques 4f-4f comme origines. Dans ce type de matériaux et sous formes des cristaux massif, Il est bien connu que les propriétés optiques ,telles que les transitions d’absorption, d’excitation et d’émission, des ions de terres rares trivalents, dépendent fortement de la matrice cristalline hôte. Ces transitions peuvent être décrites par l’application de théorie de Judd-Ofelt(JO). Cette théorie peut fournir des informations sur plusieurs paramètres spectroscopiques importants tels que, les forces des transitions radiatives, les rapports de branchements ainsi que les durées de vies radiatives théoriques des niveaux d’énergies. En général, les paramètres de Judd-Ofelt, sont obtenus à partir des spectres d’absorption et/ou d’excitation des matériaux sous formes des monocristaux. Du point de vue fondamental, dans le cas des cristaux massifs, de dimensions macroscopiques et malgré qu’il existe encore jusqu’à maintenant quelques ambigüités, les phénomènes impliqués dans de luminescence sont aujourd’hui assez bien connus avec leurs problèmes associés. Par contre, dans le cas des nanomatériaux ces phénomènes peuvent être altérés par le confinement spatial (rapport surface sur volume), ce qui constitue une problématique scientifique importante, ainsi que la détérioration de structure idéal du matériau scintillateur. Par voie de conséquence, le développement passe par la compréhension de ces altérations et modifications qui est devenu récemment un défi scientifique.Les matériaux à l’échelle nanométriques sous présentes en général sous formes des poudres ce qui rends l’enregistrement des spectres d’absorptions difficulté voir non exploitable .De ce fait, l’évolution des paramètres de JO en fonction de taille et la morphologie des nano cristallites sont inconnus et non encore exploités. L’objectif de cette thèse de doctorat est d’adapter les calculs de Judd-Ofelt déjà utilisé pour les spectres d’absorption en utilisant les spectres d’émission terres rares dans plusieurs exemples de ces matériaux à l’échelle nanométrique solides. Cette implémentation sera effectuée à travers la maitrise de la théorie de Judd-Ofelt et l’élaboration d’un programme de calcul, à travers lequel, on pourra extraire les paramètres spectroscopies, les forces des transitions radiatives, les rapports de branchements ainsi que les durées de vies radiatives théoriques des niveaux d’énergies. Voir les détails
Mots clés : judd ofelt, ions terre rare, nano-cristaux JO