published_or_final_version / Mechanical Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

The Best MPhil Thesis in the Faculties of Dentistry, Engineering, Medicine and Science (University of Hong Kong), Li Ka Shing Prize,2008-2009 / published_or_final_version / Electrical and Electronic Engineering / Master / Master of Philosophy

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Les sources d'énergie renouvelable connaissent un essor grandissant. Parmi celles-ci se trouvent les cellules photovoltaïques. Elles ont pour objet la transformation de la lumière en électricité. Les dispositifs actuels, basés sur le silicium, nécessitent des matériaux de très grande pureté et de hautes températures de mise en œuvre, les empêchant de concurrencer les principales sources d’énergie actuelles (fossile, nucléaire). Une alternative pourrait provenir des matériaux semi-conducteurs organiques. En effet, l’utilisation de méthodes de mise en œuvre à partir de solutions pourrait permettre la fabrication de dispositifs flexibles et bon marché. Des résultats encourageants ont été obtenus avec des polymères conjugués et de petites molécules organiques. Les cristaux liquides discotiques CLDs forment une catégorie particulièrement intéressante de matériaux. Ils ont en effet la capacité de s’organiser spontanément en colonnes de molécules, formant des semi-conducteurs à une dimension. Leurs propriétés intéressantes en tant que semi-conducteurs, combinées à une mise en œuvre facile, en font de bons candidats pour de futures applications. Dans ce travail, deux familles complémentaires de matériaux discotiques ont été développées, formant une paire de semi-conducteurs de type n et p. Leurs structures chimiques ont été étudiées en vue d'obtenir des matériaux possédant un ensemble de propriétés choisies afin d’optimiser les paramètres clefs du processus de photo-génération de charges. Ces propriétés sont les suivantes: forte absorption de la lumière dans le visible, fort caractère semi-conducteur de type n ou p, pas de phase cristalline à température ambiante, présence d'une phase cristal liquide colonne, phase isotrope en dessous de 200°C. De plus, les matériaux doivent être accessibles en un nombre minimum d’étapes d’une synthèse efficace, et ce avec un haut niveau de pureté. Ils doivent également être fortement solubles dans les solvants organiques usuels. Cette étude comporte, pour chacune des deux familles de matériaux, le design de leur structure chimique, leur synthèse et la caractérisation de leurs propriétés physiques (thermotropes, optoélectroniques, électrochimiques). Comme possible semi-conducteur de type p, cinq dérivés tétrasubstitués de la phthalocyanine non-métallée ont été synthétisés, donnant un matériau possédant l’ensemble des propriétés recherchées. Comme possible semi-conducteur de type n, six dérivés hexasubstitués de l’hexaazatrinaphthylène ont été étudiés. L’un d’eux possède les propriétés requises. Finalement, les propriétés optoélectroniques et photovoltaïques de mélanges des deux matériaux les plus prometteurs, ensemble ou avec d’autres matériaux, ont été étudiées. Des cellules solaires de rendement maximum de 1 % ont été obtenues pour deux dispositifs de compositions différentes. Ces rendements, bien qu’inférieurs à ceux obtenus précédemment par d’autres groupes (jusqu’à 34 % à ce jour), sont néanmoins révélateurs des potentialités des matériaux organiques, et plus particulièrement des cristaux liquides discotiques, pour de futures applications dans le domaine des dispositifs électroniques.

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This dissertation presents the results of experimental research on the nonlinear refraction in InSb and the experimental demonstration of two nonlinear etalon devices using InSb as the active material. The first portion of the dissertation considers the Dynamic Burstein-Moss Shift model for nonlinearities in narrow-gap semiconductors. The physics and the equations are reviewed, and limitations in describing intensity dependent refraction in a semiconductor are considered. These limitations arise from the nonlinear dependence of charge carrier density upon irradiance. The second portion of the dissertation presents experimental measurements made on the nonlinear refraction of InSb at temperatures between 80 K and 182 K, for wavelengths from 5.75 μm to 6.10 μm, where the photon energy lay in the band tail below 100 cm⁻¹. Measurements of the linear absorption were first made with an infrared spectrometer for temperatures from 80 K to 300 K. The nonlinearity was measured by analyzing the transmission through InSb etalons. Nonlinear transmission curves were digitized and stored with an IBM PC-XT, then a curve fit was performed using the nonlinear refractive index as a fiting parameter. Observations are reported of increasing absorption, due in part to a thermal shift of the absorption edge. The second portion of the work presents the theory and demonstration of a bistable etalon using an edge-injected control beam. Plane-wave nonlinear etalon theory is used to describe the operation of such a device, illustrating the way in which switching and logic gate operation can be obtained. Two devices based on this concept are demonstrated: the 3-port device using a single control beam, and the 2SON gate using two control beams to perform two-input logic operation. The extension of the 2SON gate to an array of pixels, and some considerations for optimizing array performance, are considered. Two appendices follow the body of the dissertation, the first describing the preparation of the InSb etalon samples, and the second detailing several procedures for maintenance and operation of the CO laser used.

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