Fabrication, études structurales et spectroscopiques de nanoparticules semiconductrices à grand gap à base de ZnO pour des applications en diodes émettrices de lumière blanche

The present thesis studies ZnO nanoparticles embedded in a mesospheric polyacrylic acid (PAA) matrix synthesized via a hydrolysis protocol. The mesospheric ZnO/PAA hybrid structure was previously proved efficient in emitting visible light in a broad range, which results from the deep-level intrinsic defects in ZnO nanocrystals. To further tune the photoluminescence (PL) spectrum and improve the PL quantum yield (PL QY) of the material, metal-doped ZnO and silica-coated ZnO/PAA are fabricated independently. For ZnO doped with metallic elements, the nature, concentration, size and valence of the dopant are found to affect the formation of the mesospheres and consequently the PL and PL QY. Ions larger than Zn2+ with a higher valence tend to induce larger mesospheres and unembedded ZnO nanoparticles. Doping generally leads to the quenching of PL, but the PL spectrum can still be tuned in a wide range (between 2.46 eV and 2.17 eV) without degrading the PL QY by doping small ions at a low doping concentration (0.1 %). For silica-coated ZnO/PAA, an optimal coating correlatively depends on the amount of TEOS and ammonia in the coating process. The amount of TEOS does not affect the crystal structure of ZnO or the PL spectrum of the material, but high concentration of ammonia can degrade the PAA mesospheres and thicken the silica shell. A thin layer of silica that does not absorb too much excitation light but completely covers the mesospheres proves to be the most efficient, with a drastic PL QY improvement of six times. Regarding the application, the materials suffer from thermal quenching at temperatures high up to 100°C, at which white light emitting diodes (WLEDs) generally operates. However, silica-coated ZnO/PAA induces higher emission intensity at room temperature to make up for the thermal quenching.
La présente thèse étudie les nanoparticules de ZnO incorporées dans une matrice d'acide polyacrylique (PAA) mésosphérique synthétisée via un protocole d'hydrolyse. La structure hybride mésosphérique de ZnO / PAA a précédemment démontré son efficacité pour émettre de la lumière visible dans une large gamme, qui résulte des défauts intrinsèques de niveaux profonds dans les nanocristaux de ZnO. Pour modifier davantage le spectre de photoluminescence (PL) et améliorer le rendement quantique de PL (PL QY) du matériau, le ZnO dopé au métal et le ZnO / PAA revêtu de silice sont fabriqués indépendamment. Au niveau du ZnO dopé avec des éléments métalliques, la nature, la concentration, la taille et la valence du dopant affectent la formation des mésosphères et par conséquent la PL et le PL QY. Les ions plus grands que Zn2+ avec une valence plus élevée ont tendance à induire des mésosphères plus grandes et des nanoparticules de ZnO non incorporées. Le dopage conduit généralement à l'extinction de la PL, mais le spectre PL peut toujours être ajusté dans une large plage (entre 2,46 eV et 2,17 eV) sans dégrader le PL QY en dopant avec de petits ions à une faible concentration de dopage (0,1 %). Concernant le ZnO / PAA revêtu de silice, un revêtement optimal est obtenu, qui dépend corrélativement de la quantité de TEOS et d'ammoniac dans le processus de revêtement. La quantité de TEOS n'affecte pas la structure cristalline de ZnO ou le spectre PL du matériau, mais une concentration élevée d'ammoniac peut dégrader les mésosphères de PAA et épaissir la couche de silice. Une fine couche de silice qui n'absorbe pas trop de lumière d'excitation mais recouvre complètement les mésosphères s'avère être la plus efficace, avec une amélioration drastique du PL QY d’un facteur six. En ce qui concerne l'application, les matériaux souffrent d’une dégradation thermique à des températures élevées jusqu'à 100 °C, auxquelles les diodes électroluminescentes blanches (WLEDs) fonctionnent généralement. Cependant, le ZnO / PAA revêtu de silice induit une intensité d'émission plus élevée à température ambiante pour compenser la dégradation thermique.