Deux méthodes de synthèse chimique, relevant de l'approche bottom-up, sont mises en oeuvre pour élaborer des nanocristaux (NC) de sulfure de cadmium (CdS) : les croissances (i) par source unique de précurseur et (ii) par voie micro-ondes. Ces deux techniques, complémentaires dans la gamme de tailles obtenues, permettent la réalisation de NC de petites tailles (2,8 nm - 5,2 nm) en seulement (i) 120 min et (ii) quelques minutes. Un protocole de caractérisation par techniques conjointes est mis au point pour étudier ces NC. La spectrométrie de masse (SM) couplée à des sources d'ionisation douce contrôle la pureté et la stabilité des précurseurs et permet d'estimer la taille et la distribution en taille des NC. Ces estimations sont confirmées par microscopie électronique en transmission (MET). La confrontation des résultats de SM et de MET suggère une géométrie des NC (i) sphérique et (ii) ellipsoïdale. La diffraction des rayons X montre l'état cristallin des nanoparticules en structures (i) würtzite et (ii) zinc blende. La spectrométrie optique à température ambiante (absorption et photoluminescence - PL) témoigne des effets de confinement quantique par le glissement de la réponse excitonique dans le domaine bleu proche UV en fonction de la taille des NC, s'inscrivant dans la correspondance connue énergie-taille. Dans la perspective d'applications optoélectroniques, le dépôt en couches minces de polymère (PMMA) contenant des NC de CdS est entrepris par spin coating. Le même protocole de caractérisations, enrichi de techniques adaptées aux couches minces, montre que les NC conservent leur intégrité et leurs propriétés de PL après inclusion dans la couche / Two chemical methods are developed to synthesize cadmium sulfide (CdS) nanocrystals (NC) in bottom-up approach: (i) single-source precursor methodology and (ii) microwave synthetic route. These two growth techniques are complementary in the size range obtained and allow production of small NC (2.8 nm - 5.2 nm) in only (i) 120 min and (ii) some minutes. A joint technique characterization protocol is developed to study the synthesized NC. Mass spectrometry (MS) coupled to soft ionization sources allows to control the purity and stability of the precursors and to estimate the NC size and size distribution. These estimations are confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Comparison between SM and TEM results suggests that NC have (i) spherical and (ii) prolate shapes. X-ray diffraction reveals nanoparticle crystalline structure in (i) wurtzite and (ii) zinc blende symmetries. Room temperature optical spectrometry (absorption and photoluminescence - PL) evidences quantum confinement effects by the shift of the excitonic response as a function of the NC size, in the blue-UV spectral range. These results are consistent with the well-known empirical energy-size correspondence. For optoelectronic application purpose, thin film deposition of polymer (PMMA) containing CdS NC is initiated by spin coating. The previous characterization protocol, extended to techniques dedicated to thin film studies, shows that NC maintain their integrity and PL properties after inclusion in PMMA layer

Ce travail a été réalisé en collaboration avec EDF R&D, dans le cadre d’une convention CIFRE-ANRT, l’objectif étant d’améliorer le coefficient de performance de pompes à chaleur thermoélectriques (PACTEs) pour des "Bâtiments Basse Consommation". Les PACTEs présentent de nombreux avantages environnementaux, le désavantage étant leur faible performance. Ainsi l'objectif de ce travail a été d'examiner la possibilité d'améliorer, par nanostructuration les performances des semi-conducteurs utilisés dans les modules thermoélectriques des PACTEs. Nos travaux se sont concentrés sur les solutions solides à base de Sb2-xBixTe3, celles-ci étant, selon l’état-de-l’art, les plus performantes pour l’application visée. La nanostructuration a été réalisée par la technique de trempe sur roue (technique de refroidissement rapide de liquides) de matériaux synthétisés auparavant à l'état liquide dans des tubes en quartz. Les moyens de caractérisation (DRX, MEB, MET, METHR) ont permis de corréler les changements structurels avec la variation des propriétés thermiques et électriques (le pouvoir thermoélectrique, la résistivité électrique, l'effet de Hall, la conductivité thermique) mesurées sur de larges gammes de température (5-460 K). L'influence favorable de la nanostructuration par la diminution de conductivité thermique a été prouvée. Nous avons montré la forte dépendance des propriétés thermoélectriques des matériaux étudiés avec la concentration de défauts et la stœchiométrie. Le dopage avec du Te a été examiné comme une possibilité de contrôler le niveau de la concentration des porteurs de charge. L'idée de créer des niveaux d'impuretés résonantes par un dopage au Sn s’est montrée infructueuse, vraisemblablement en raison de la structure de bande complexe du composé ternaire. Néanmoins, des valeurs du facteur de mérite adimensionel ZT de près de 1,2 ont été obtenues pendant ce travail / This work results from the collaboration between IJL and EDF R&D performed under a CIFRE-ANRT convention, in order to improve the coefficient of performance of thermoelectric heat pumps (THPs). THPs attracted attention of EDF due to its numerous environmental advantages, but the main drawback remains its low performance. The objective of our work was thus to investigate the possibility to enhance the performance of the semiconductors used in the thermoelectric modules of the THPs, by nanostructuration. The research was concentrated on the Sb2-xBixTe3-based solid solutions, the most effective materials for the application sought. The nanostructuration was performed by applying the melt-spinning technique (rapid quenching from a melt on a water-cooled cupper wheel) to the material synthesised beforehand from liquid state in quartz tubes. The means of characterisation (XRD, SEM, TEM, HRTEM) gave the possibility to correlate the structural changes with the variation of the thermal and electrical properties (thermoelectric power, electrical resistivity, Hall effect, thermal conductivity) measured over a wide temperature range (5-460 K). The favourable influence of nanostructuration through the decreasing of thermal conductivity was proved. A high dependence of the thermoelectric efficiency of the studied materials on the concentration of defects and stoichiometry is shown. Doping with Te was investigated as a possibility to control the resulting level of the charge carrier concentration. The idea of creating resonant impurity levels by Sn-doping was shown to be non-conclusive presumably due to the complex band structure of the ternary compounds. Nevertheless, relatively high values of the dimensionless TE figure of merit, close to 1.2, were obtained during this work

L’ingénierie de nanomatériaux hybrides semi-conducteurs/plasmoniques représente une technologie durable en raison de l’efficacité parfaite du couplage pour améliorer, rénover et enrichir les propriétés des composants intégrés. Ce couplage a pour résultat la variation des propriétés fonctionnelles du système, grâce auquel les plasmons de surface générés par les métaux peuvent améliorer la séparation des charges, l’absorption de la lumière et la luminescence du semi-conducteur. Ce phénomène permet de fortes interactions avec d'autres éléments photoniques tels que les émetteurs quantiques. Ces fonctionnalités aux multiples facettes découlent de l'interaction synergique exciton-plasmon entre les unités liées. Ainsi, les nanomatériaux hybrides conviennent à diverses applications, notamment : conversion de l'énergie solaire, dispositifs optoélectroniques, diodes électroluminescentes (LED), photocatalyse, détection biomédicale, etc. Les nanostructures Au-ZnO suscitent un intérêt croissant dans ces applications où le couplage de ZnO à de nanoparticules d’or (GNPs) favorise la réponse du système dans le domaine du visible grâce à leur résonance plasmon de surface (SPR). En fonction de la taille de deux nanomatériaux, de la distance qui les sépare et leurs rapports massiques dans un échantillon, les propriétés des particules hybrides peuvent varier. Dans ce contexte, nous nous sommes concentrés sur la construction de nano-cristaux (NCs) de ZnO purs de dimensions contrôlables, puis incorporés dans des solutions de GNPs par une simple voie chimique. Ce travail est divisé en deux parties : la première consiste à effectuer une synthèse de nanocristaux de ZnO (NCs) purs présentant d'excellentes propriétés de photoluminescence dans l’UV. Ceci a été réalisé par une synthèse à basse température, aboutissant à des structures rugueuses et amorphes. La synthèse a été suivie d'un traitement post-thermique afin de cristalliser les nanoparticules obtenues. Une étude structurale et optique poussée a été établie à la suite de la synthèse (SEM, TEM, DRX, photoluminescence). Les activités photocatalytiques des ZnO NCs ont été étudiées en mesurant leur capacité à dégrader le bleu de méthylène (MB). De plus, la relation entre les structures en ZnO, la luminescence et les propriétés photocatalytiques a été explorée en détail. Dans la deuxième étape, les ZnO NCs obtenus ont été couplés ajoutés à des nanoparticules d'or de tailles et fractions volumiques variables. Le rôle effectif des GNPs concernant leur morphologie, leur contenu et leur effet SPR sur la photoémission des nanostructures de ZnO est souligné par le transfert de charge et / ou d'énergie entre les constituants du système hybride. De plus, l’activité photocatalytique du système hybride a été examinée. Comme débouché et perspective de ce travail de thèse, l'intégration des ZnO NC dans une couche nanoporeuse de polymère (PMMA) a été réalisée et caractérisée afin d'obtenir un substrat de large surface à base de ZnO. Les ZnO NCs assemblés dans du PMMA pourraient être des substrats prometteurs en tant que catalyseurs pour la croissance de nanofils de ZnO, de nanomatériaux métalliques et de matériaux hybrides. / Hybrid heterojunctions composed of semiconductors and metallic nanostructures have perceived as a sustainable technology, due to their perfect effectiveness in improving, renovating, and enriching the properties of the integrated components. The cooperative coupling results in the variation of the system’s functional properties, by which the metal-generated surface plasmon resonance can enhance the charge separation, light absorption, as well as luminescence of the semiconductor. This phenomenon enables strong interactions with other photonic elements such as quantum emitters. These multifaceted functionalities arise from the synergic exciton-plasmon interaction between the linked units. Thereby, hybrid systems become suitable for various applications including: solar energy conversion, optoelectronic devices, light-emitting diodes (LED), photocatalysis, biomedical sensing, etc. Au-ZnO nanostructures have received growing interest in these applications, where the deposition of gold nanoparticles (GNPs) promotes the system’s response towards the visible region of the light spectrum through their surface plasmon resonance (SPR). Based on a specific size and purity of ZnO nanostructures, as well as the GNPs, and a definite inter-distance between the nanoparticles, the properties of the ZnO nanostructures are varied, especially the photoemission and photocatalytic ones. In this context, we have focused on the construction of size-tunable ZnO nanocrystals (NCs), then incorporated into GNPs solutions using a simple chemical way. This work is divided into two parts: the first is to perform synthesis of pure ZnO NCs having excellent UV photoluminescence. This was achieved through a low-temperature aqueous synthesis, resulting in rough and amorphous structures. The synthesis was followed by a post-thermal treatment in order to crystallize the obtained particles. The synthesis was followed by structural and optical studies (SEM, TEM, XRD, photoluminescence). The photocatalytic activities of ZnO NCs were studied through tailoring their ability to degrade the methylene blue (MB) dye. In addition, the relationship between ZnO structures, luminescence, and photocatalytic properties was explored in details. In the second step, the obtained ZnO NCs were added to gold nanoparticles of various sizes and volume fractions. The effective role of GNPs concerning their size, amount, and their capping molecule on the photoemission of the ZnO nanostructures was emphasized through the charge and/or energy transfer between the constituents in the hybrid system. In the same way, the systems photocatalytic activities were examined after coupling ZnO to GNPs. Further advancement in the integration of the ZnO NCs into PMMA polymer layers was featured in order to obtain large area template of homogenous ZnO properties. The PMMA-assembled ZnO nanoparticles could be promising substrates as catalysts for growing ZnO nanowires, metallic nanoparticles and hybrid nanomaterials.

Au cours de ces dernières années, la microfluidique est devenue une technologie attrayante pour la synthèse en écoulement continu de dispersions colloïdales de nanocristaux. Ce procédé permet un contrôle optimal des paramètres de synthèse, offre une très bonne reproductibilité, et la possibilité de transposition à grande échelle. Dans une première partie, nous avons développé des synthèses microfluidiques et écologiques de cristaux ZIF 8, adaptables à une grande échelle de production, avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). La technologie microfluidique permet la synthèse rapide (10 min) de cristaux ZIF-8 avec une large variation de taille de particules (de 300 à 900 nm) simplement en faisant varier les paramètres expérimentaux (débit, température, ...). Les cristaux de ZIF-8 obtenus sont de forme géométrique dodécaèdrique rhombique, de structure cristalline sodalite et leur surface spécifique est d’environ 1700 m2/g. Puis, les propriétés catalytiques des particules ZIF-8 ont été évaluées. Des 3-cyanocoumarines et des cyanoesters α,β-insaturés ont été synthétisés avec des rendements variant de 89 à 95% via la réaction de Knoevenagel utilisant les particules ZIF-8 comme catalyseur hétérogène. Les particules de ZIF-8 peuvent être recyclées au minimum cinq fois. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous avons synthétisé des QDs CdS dopé Mn2+ et Cu+ recouverts d’une coquille ZnS en microréacteur tubulaire avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). Différents paramètres expérimentaux (temps de séjour, température, pH, rapport molaire des précurseurs, concentration et nature des précurseurs, …) ont été évalués afin d’optimiser les propriétés optiques. Les QDs CdS dopé Mn2+ présentent uniquement l’émission de fluorescence liée à la transition 4T1→6A1 et leur rendement quantique de fluorescence est voisin de 10%. L’introduction d’une coquille ZnS en écoulement monophasique permet d’améliorer les propriétés optiques et de réduire les défauts des surfaces des QDs 6%Mn:CdS/ZnS (émission à 590 nm et rendement quantique de 20 %). L’introduction d’une coquille ZnS à la périphérie des QDs Cu:CdS ne permet pas d’améliorer de manière significative le rendement quantique de fluorescence. Dans la dernière partie, la synthèse en microréacteur avec écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane) de QDs ZnS dopé Mn2+ a été développée. Les QDs obtenus possèdent un rendement quantique de 13% s’ils sont préparés en écoulement monophasique / In recent years, microfluidics has become an attractive technology for the continuous flow synthesis of colloidal nanocrystals. This technology allows a good control of the synthesis parameters, a good reproducibility and the possibility of the application on a large scale. In a first part, we have developed continuous and ecological syntheses of the ZIF-8 crystals for the large scale, either with a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). The microfluidic technology allows the fast synthesis (10 min) of ZIF-8 crystals over a wide size range (from ca. 300 to 900 nm) simply by varying the experimental parameters (flow rates, temperature,…). ZIF-8 crystals with the stable rhombic dodecahedron shape, of sodalite structure and with a high specific surface area (ca. 1700 m2.g-1) were obtained. Next, the catalytic properties of ZIF-8 crystals were evaluated. These particles were demonstrated to be an efficient heterogeneous catalyst for the Knoevenagel synthesis of α,β-unsaturated cyanoesters and of 3-cyanocoumarins using 2-hydroxy aromatic aldehydes and ethyl cyanoacetate as starting materials (yields ranging from 89 to 95%). The ZIF-8 particles can be recycled at least five times with negligible changes in catalytic performances. In the second part, we synthesized the Mn2+ or Cu+-doped CdS QDs coated with a ZnS shell in a tubular microreactor using a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). Various experimental parameters (time, temperature, pH, molar ratio, concentration and nature of the starting materials) were evaluated to optimize the optical properties of the dots. The obtained Mn2+ doped CdS QDs exhibited a photoluminescence emission related to the 4T1 → 6A1 transition with quantum yields higher than 10%. The introduction of a ZnS shell with the monophasic flow allows to improve the optical properties and to reduce the surface defects of the 6% Mn:CdS/ZnS QDs (strong emission at 590 nm and quantum yields of ca. 20%). The introduction of a ZnS shell on the surface of Cu doped CdS QDs does not significantly improve the quantum yields. Finally, the synthesis of Mn2+-doped ZnS QDs with monophasic or biphasic flow (water/alkane) was developed. The dots have a photoluminescence quantum yield of 13% if they are prepared in a monophasic water flow

Le travail porte sur les propriétés vibrationnelles de semi-conducteurs innovants, notamment les composés Cu2ZnSnSe4, Cu2ZnSnS4 de type kesterite, qui, dans le domaine du photovoltaïque, soutiennent la comparaison avec les matériaux leaders de type chalcopyrite, Cu(In,Ga)Se2. Un intérêt pratique immédiat pressenti est que les spectres de vibration devraient permettre de distinguer entre différentes phases structurales possibles à une composition donnée. Les modes de vibration sont abordés en utilisant une approche théorique premiers principes. Le manuscrit est divisé en cinq chapitres, dont le contenu est le suivant : (1) Une brève introduction sur le principe et les enjeux du photovoltaïque, les cellules solaires à base de composés semi-conducteur multinaires; le chapitre se termine par une description du diagramme de phase du système Cu-Zn-Sn-Se. (2) L’exposé de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la mise en œuvre de simulations numériques via le logiciel SIESTA. (3) Les propriétés vibrationnelles de Cu2ZnSnSe4 dans ses deux phases kesterite et stannite, étudiées par une méthode premiers principes, en faisant une comparaison détaillée et une analyse minutieuse mode par mode. (4) Les propriétés vibrationnelles de la phase secondaire Cu2SnSe3, une concurrente habituelle de la phase Cu2ZnSnSe4 lors de la croissance des échantillons. (5) Le calcul des phonons dans la structure Cu2ZnSnS4 contenant des défauts intrinsèques (lacunes; antisites), avec comme objectif l'évaluation des contributions vibrationnelles à l'entropie, et l'élaboration du diagramme de phases composition – température dans ce système multinaire. La conclusion générale récapitule les résultats, qui sont publiés dans 5 articles / The works addresses vibrational properties of novel semiconductors, specifically the Cu2ZnSnSe4 and Cu2ZnSnS4 compounds of the kesterite structure, which, in the domain of photovoltaics, become competitive with leading materials of chalcopyrite type, notably Cu(In,Ga)Se2. The anticipated immediate practical interest of such study is that the vibration spectra are likely to make possible a distinction between different structural phases, possible for a given composition. The vibration modes are accessed by using a first-principle theory approach. The manuscript is divided into five chapters, with the following contents: (1) A brief introduction into the work principle and the problematics of photovoltaics, specifically of the solar cells based on multinary semiconductors; the chapter closes by the description of the phase diagram of the Cu-Zn-Sn-Se system. (2) An overview of the density functional theory (DFT) and of the technics of numerical simulations using the SIESTA code. (3) The vibrational properties of Cu2ZnSnSe4 in its two phases, kesterite and stannite, as studied by first-principles method, with a detailed comparison being done along with a thorough mode-by-mode analysis. (4) Vibrational properties of a secondary phase Cu2SnSe3, which often competes with the Cu2ZnSnSe4 phase in the process of sample growth. (5) Calculation of phonons in the Cu2ZnSnS4 structure containing intrinsic defects (vacances; anti sites), with the objective of estimating vibrational contributions to entropy and the correction of the composition - temperature phase diagram in this multi nary system. The general conclusion summarises the results which are published in 5 articles

Parce qu'ils présentent des propriétés remarquables par rapport à leurs équivalents massifs, les nanomatériaux occupent une place de plus en plus importante dans l'industrie et en médecine. Leur essor rapide a généré de nombreuses craintes dans l'opinion publique notamment au regard de certaines méconnaissances liées à leur toxicité. Notre projet vise l'utilisation du séléniure de cadmium (CdSe) comme matériau modèle afin d'établir une corrélation entre la structure chimique des nanoparticules, leur réactivité de surface, leur (photo)stabilité et leur toxicité. Des quantum dots (QDs) CdSe et alliages CdSe(S) ont été préparés en milieu aqueux à 100°C ou par voie hydrothermale de manière à ne différer que par leur structure chimique de coeur (alliage ternaire vs semi-conducteur binaire) alors que d'autres paramètres comme la taille, la charge ou la nature du ligand de surface, ont été maintenus constants. Des études de cytotoxicité menées sur Escherichia coli ont montré que la libération de Cd2+ jouait un rôle important dans la toxicité pour les deux QDs. Nos résultats ont également mis en évidence que les QDs CdSe(S) alliés étaient plus stables et moins toxiques que les QDs CdSe. Sans négliger l'importance de la libération d'ion Cd2+ par les nanoparticules, une corrélation entre la stabilité et la production d'espèces réactives de l?oxygène (EROs) a montré que la toxicité était en partie dépendante de la photostabilité des QDs. Notre étude met en perspective une relation entre la réactivité, la stabilité du coeur des nanoparticules, et la toxicité photo-induite / Due to their unique properties compared to their bulk counterparts, nanomaterials have gained considerable attention, especially in industry and medicine. Their fast development has generated many public concerns, especially because of a lack of knowledge regarding their toxicity. Our project aims to use cadmium selenide (CdSe) as a model material in order to initiate a research aiming at establishing a correlation between the nanoparticles chemical structure, their surface reactivity, their stability and their toxicity. CdSe and alloyed CdSe(S) quantum dots (QDs) were prepared in aqueous phase either at 100°C or under hydrothermal conditions in order to differ solely by their core chemical structure (ternary alloy vs binary semiconductor), while other parameters such as the size, the surface charge or the surface ligand, have been kept constant. Cytotoxicity studies carried out on Escherichia coli have shown that release of Cd2+ played a key role in the toxicity for both QDs. However, alloyed CdSe(S) QDs were also found more stable and less toxic than CdSe nanocrystals. Without disregarding the importance of Cd2+ ions release by the nanoparticles, a correlation between the stability and the production of reactive oxygen species (ROS) showed that toxicity was dependent on QDs photostability. Our study highlights a relationship between the core reactivity, stability and the photo-induced toxicity QD nanoparticles

Cette thèse présente une étude des propriétés électroniques de systèmes de basse dimension à base de métaux et de semiconducteurs. La première partie de l'étude traite le confinement de l'état de Shockley dans des nanostructures tridimensionnelles d'Ag(111), par des mesures STM/STS à très basse température (5 K). Nous avons d'abord analysé en détail la structure en énergie et la distribution spatiale des modes confinés. Nous avons ensuite mis à profit la nature discrète du spectre en énergie pour étudier le temps de vie des quasiparticules. Un comportement typique de liquide de Fermi est mis en évidence, et nous montrons que le mécanisme de diffusion dominant est associé au couplage électron-phonon. La contribution extrinsèque provenant du confinement partiel de l'onde électronique a également été obtenue. Une loi d'échelle est observée avec la taille des nanostructures, ce qui permet d'extraire un coefficient de réflexion plus important que dans de simples ilôts monoatomiques. La seconde partie de l'étude est consacrée aux couches ultra-minces semiconductrices obtenues par dépôts d'alcalins (K, Rb, Cs) sur la surface Si(111):B-[racine]3. Ce travail résout la controverse concernant la nature de l'état fondamental de ce système, et notamment l'origine de la reconstruction 2[racine]3 obtenue à la saturation du taux de couverture. La compréhension en amont de la structure cristallographique permet d'élucider les propriétés électroniques. Nous montrons qu'une approche à un électron, conduisant à un isolant de bandes, décrit le système de manière convaincante, malgré l'indication de forts effets polaroniques. Ce résultat est le fruit d'une étude approfondie combinant des techniques diverses et complémentaires (LEED, ARPES, XPS, STM/STS et calcul DFT) / This thesis is devoted to the electronic properties of low-dimensional systems based on metal and semiconducting materials. The first part deals with the Shockley state confinement in Ag(111) nanostructures, by means of very-low temperature (5 K) STM/STS measurements. We study the electronic structure and spatial distribution of the confined modes. Then the discrete nature of the electronic spectrum allows one to yield the quasiparticule lifetime. A Fermi-liquid behaviour is evidenced and we show that the dominant decay mechanism is attributed to the electron-phonon coupling. The extrinsic contribution arising from the partial confinement of the electronic wave is obtained as well. A scaling law with the nanostructure width is demonstrated, from which we deduce a higher reflection amplitude than in monoatomic islands. In the second part of the thesis, we study semiconducting ultra-thin films produced by alkali (K, Rb, Cs) deposition on the Si(111):B-[root of]3 surface. This work solves the controversy concerning the ground state of this system, and especially the nature of the 2[root of]3 surface recontruction obtained at saturation coverage. Prior understanding of the crystallographic structure allows to elucidate the electronic properties. We show that a one-electron picture, leading to a band insulator scenario, gives a good description of the system, in spite of strong polaronic effects. This conclusion results from an in-depth, combined study of complementary techniques (LEED, ARPES, XPS, STM/STS and DFT calculations).