Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Une sous-catégorie importante des nanomatériaux est l’utilisation de nanoparticules (NPs) métalliques dans le design de biosondes optiques en spectroscopie Raman ou de fluorescence, application permise par le plasmon généré lors de l’interaction lumière-NPs. La plage spectrale utile permise peut être modulée selon la composition, la taille et le milieu environnant du cœur métallique. Ainsi, l’or et l’argent sont des métaux couramment employés dans ce domaine en raison de la simplicité de leur synthèse et de leur applicabilité dans le visible. Cependant, ces métaux sont inutiles pour effectuer des mesures de fluorescence intrinsèque de protéines dans l’UV, un type de mesure qui serait d’intérêt en sciences biomédicales mais qui est limité par le faible signal de fluorescences des biomolécules. Nous proposons de pallier à ce problème à l’aide de sondes plasmoniques d’indium, démontrées comme étant actives dans l’UV. Ce mémoire porte donc sur la préparation de structures cœur-coquilles en vue d’une utilisation future en biodétection. Les cœurs d’indium sont préparés à l’aide d’une méthode simple qui combine les caractéristiques d’une synthèse polyol et d’une synthèse par injection à chaud. Par de simples modifications synthétiques, des cœurs d’environ 9 et 70 nanomètres (nm) de taille peuvent être obtenues. Les cœurs plus gros, qui devraient permettre un meilleur effet d’exaltation de la fluorescence sont ensuite recouverte d’une écaille de silice via une simple réaction Stöber. Le contrôle des conditions, notamment la concentration en eau, la quantité de précurseur de silice et le niveau de dilution, permet de moduler l’épaisseur de la coquille de silice entre 4 et 40 nm. Une si petite coquille sur de tels cœurs d’indium demeure, au meilleur de notre connaissance, inédit. Les colloïdes obtenus sont caractérisés par spectroscopie UV-Vis, par microscopie électronique à transmission et par diffusion dynamique de la lumière. / A notable application of nanomaterials is the use of metallic nanoparticles (NPs) as optical bioprobes in Raman or fluorescence spectroscopy detection schemes. Such a use is permitted by the plasmonic properties shown by these NPs upon light irradiation; the spectroscopic properties of these colloids are tuned through careful selection of the core’s composition, size and environment. Gold and silver are the two most commonly used metals for biodetection as they are easily prepared in nanoscopic regimes with defined shapes and sizes, as well as for their intense optical interactions with visible light. These metals are however not applicable at higher energy UV regimes, which would allow, for instance, the enhancement of the intrinsic fluorescence of proteins, a field of interest in biodetection which is hindered by the extremely low fluorescence signal of these biomolecules. We propose for such an application the use of indium-based plasmonic probes, as this metal has been shown to be active in the UV regime. This master’s thesis thus focuses on the preparation of core-shell colloids for an eventual use in biodetection. The indium cores are prepared in a single step which combines both polyol and hot-injection methods characteristics. By shuffling various synthetic parameters, indium cores approximately 9 and 70 nanometers (nm) wide are obtained. The larger cores, which should demonstrate a stronger fluorescence enhancement effect, are then covered with a silica shell through a single Stöber-like step. Again, controlling different synthetic parameters such was water content, silica precursor concentration, and Stöber system dilution allows to modulate the silica’s thickness between 4 and 40 nm. Such a thin silica shell on such a relatively small indium core is, at the best of our knowledge, still unprecedented. The synthesized core-shell colloids are characterized with UV-Vis spectroscopy, transmission electron microscopy and dynamic light scattering.

Une lentille à cristaux liquides est un volume fixe de molécules anisotropes dont l'orientation spatiale de celles-ci peut être modifiée radialement afin d'obtenir un effet lentille. La réorientation des molécules de cristaux liquides se fait à partir d'un certain profil de champ électrique. La grandeur de ce profil de champ électrique peut être changée en modifiant les signaux électriques d'alimentation, modifiant ainsi la puissance optique de la lentille. Cette propriété de distance focale variable leur donne de nombreuses applications d'imagerie où les dimensions sont restreintes et ne permettent pas de déplacement relatif entre différentes lentilles classiques. Les travaux de recherche effectués pendant la maîtrise portaient sur le développement d'un nouveau design de lentille à cristaux liquides. Plus spécifiquement, ce nouveau design devait simplifier considérablement le modèle de lentille présentement existant qui utilise une couche mince semi-conductrice afin de générer le profil de champ électrique. Cette couche mince semi-conductrice est difficile à concevoir, car elle requiert d'être isolée par plusieurs autres couches minces, rendant ainsi sa reproduction exacte difficile à accomplir. Le profil de champ dans le nouveau design de lentille est généré à partir de deux électrodes d'oxyde d'indium-étain (ITO) en forme de serpentin ainsi qu'avec quatre signaux alternatifs ayant chacun une phase bien spécifique. Une modification de la phase de ces quatre signaux permet d'obtenir soit une lentille sphérique, un prisme cale, un axicon ou bien une lentille cylindrique. De plus, les limites des dimensions de l'électrode d'ITO en serpentin seront montrées ainsi que leurs effets sur le profil de champ électrique. Des lentilles avec des diamètres de 2 mm, 3 mm, 4 mm et 5 mm ont été conçues pendant la maîtrise. Les propriétés d'imagerie de la lentille de 2 mm ont été caractérisées à partir d'un montage de polarimétrie, d'un capteur Shack-Hartmann et d'un montage de « Point Spread Function » (PSF). / A liquid crystal lens is a fixed volume of anisotropic molecules whose spatial orientation can be radially changed in order to obtain a lens effect. The reorientation of liquid crystal molecules occurs from a certain electric field profile. The magnitude of this electric field profile can be modified by changing the electrical power signals, thereby changing the optical power of the lens. This property of variable focal length gives them many imaging applications where dimensions are restricted and do not allow relative displacement between different conventional lenses. The research work carried out during the master's degree focused on the development of a new liquid crystal lens design. More specifically, this new design greatly simplifies the currently existing lens model which uses a semiconductor thin film to generate the electric field profile. This semiconductor thin film is difficult to design, since it requires isolation by several other thin films, thus making its exact reproduction difficult to accomplish. The field profile in the new lens design is generated from two coil-shaped indium tin oxide (ITO) electrodes as well as four AC signals each with a very specific phase. A modification of the phase of these four signals makes it possible to obtain either a spherical lens, a wedge prism, an axicon or acylindrical lens. In addition, the size limits of the serpentine ITO electrode will be shown as well as their effects on the electric field profile. Lenses with diameters of 2 mm, 3 mm, 4 mm and 5 mm were designed during the master's degree. The imaging properties of the 2 mm lens were characterized from a polarimetry setup, a Shack-Hartmann sensor and a Point Spread Function (PSF) setup.

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The use of size and shape tunable quantum confinement nanocrystals has many potential applications for use in semiconductors, optics and sensors. The synthesis of lead sulfide (PbS) and copper indium diselenide (CuInSe���) nanoparticles are of particular interest for use in semiconductor, optoelectronics and bio-medical applications. The continuous synthesis of lead sulfide (PbS) and copper indium diselenide (CuInSe���) nanocrystals was undertaken in this work. Quality colloidal nanocrystal synthesis requires three components: precursors, organic surfactants and solvents. The synthesis of the nanocrystals can be thought of as a nucleation event, followed by a subsequent growth period. Both the nucleation and growth rates were found to be dependent upon factors such as temperature, growth time, and precursor concentration. For a continuous flow system the residence time (at nucleation and growth conditions) was also found to be important. In order to separate the nucleation and growth events, injection techniques were employed to achieve rapid nucleation of nanocrystals with final size dictated by the growth temperature and/or residence time through the growth zone of the reaction system. Experimental parameters to investigate the size, shape, and composition of synthesized nanocrystals included injection temperature, growth temperature, residence time, and concentration of organic surfactants. Size tunability was accomplished for both PbS and CuInSe��� nanocrystals where particle sizes less than 10 nm were achieved and the resulting nanocrystal compositions were found to be at the approximate stoichiometric ratios for both PbS and CuInSe���. The materials used for the process tubing and pumps were found to be important as chlorinated reaction byproducts were found to react with the stainless steel tubing and pump heads. Post processing was also found to be important in order to remove any possible reaction by-products and residual precursors from the surface of synthesized nanocrystals. When at least one dimension of the nanocrystal approaches the exciton Bohr radius, the bandgap for the nanocrystal increases. UV-VIS spectroscopy was used to optically characterize synthesized PbS nanocrystals from our continuous flow synthesis. The absorption spectra for the particles demonstrated an absorption onset showing a large blueshift compared to that of bulk PbS. The blueshift matches closely with literature reports of the quantum confinement effect that would be desired when synthesizing PbS nanoparticles at diameters that are less than the PbS exciton Bohr radius of 18 nm. / Graduation date: 2013

For polymer-matrix composites (PMCs) that contain insulating matrices and conducting fillers, the electrical properties of the PMCs are especially sensitive to the local concentration of the fillers in the matrix. For PMCs that have phase-segregated microstructures, better prediction of the properties is possible since enhanced control over the distribution of the filler in the matrix can be achieved. In this research, PMMA-ITO nanocomposites were chosen as the composite system in which to explore alternative microstructures, specifically highly phase-segregated microstructures. The microstructures were primarily controlled by varying the ITO particle size and concentration, and the fabrication parameters used to form the nanocomposites. The motivation for this research was to develop correlations between the microstructure and non-destructive measurements in order to improve the predictability of properties in percolating PMCs. As a result of this work, a novel phase-segregated microstructure was discovered, where ITO aggregate-wire structures self-assembled during the composite forming process. Structural analysis of the specimens was conducted primarily using transmission optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Impedance spectroscopy and optical spectroscopy were the primary NDE characterization tools used for analyzing the variations among the specimens. Ultra-small angle x-ray scattering (USAXS) and stereological techniques were also used to describe the dimensions of the ITO aggregate-wire structures that self-assembled in the PMMA-ITO nanocomposites.

Depuis quelques années, les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) connaissent un véritable essor se traduisant par leur intégration progressive au sein d'appareils électroniques « grand public » : téléphones portables, téléviseurs, etc. En dépit d'avantages indéniables, des obstacles — notamment des coûts de fabrication élevés et des durées de vie insuffisantes — freinent encore l'adoption massive de cette technologie. Le remplacement de la couche émissive organique par des quantum dots pourrait résoudre tout ou partie de ces problèmes, tout en améliorant les performances des dispositifs « QD-LEDs » ainsi constitués.L'objectif de cette thèse consiste à élaborer, par voie colloïdale, des nanocristaux semi-conducteurs non toxiques et présentant toutes les caractéristiques requises pour leur intégration dans des QD-LEDs.Un protocole de synthèse de nanoparticules d'antimoniure d'indium (InSb) reposant sur l'injection du précurseur d'antimoine en phase gazeuse a tout d'abord été mis au point. Suite à l'optimisation des différents paramètres de réaction, les nanocristaux obtenus par cette voie présentent un certain nombre de qualités : bonne cristallinité, faible dispersion en taille et excellente stabilité en solution. En revanche, l'absence de photoluminescence — attribuée à la présence d'une coquille amorphe autour du cœur des particules — ne permet pas à l'heure actuelle d'exploiter pleinement ces nanocristaux dans des applications optiques.L'étude a ensuite été dirigée vers la production de quantum dots à base de phosphure d'indium (InP), afin de permettre la réalisation ultérieure d'un dispositif QD-LED fonctionnel. Grâce à l'élaboration de structures à gradient de composition, des nanocristaux dotés d'un fort rendement quantique de photoluminescence ainsi que d'une excellente stabilité en milieu oxydant ont pu être élaborés.Enfin, des essais préliminaires portant sur l'intégration des nanocristaux à base de phosphure d'indium dans des diodes électroluminescentes ont été menés. Le dépôt des quantum dots a été réalisé selon la technique dite de « LANGMUIR-SCHAEFFER stamping » tandis que les autres couches présentes dans l'empilement — à base de petites molécules — ont été élaborées par évaporation. En dépit de performances encore modestes, l'émission des QD-LEDs ainsi produites présente toutefois une nette contribution provenant de la couche de nanocristaux Ces résultats ouvrent ainsi la voie à de nouveaux développements très prometteurs. / During the past few years, organic light-emitting devices (OLEDs) gradually appeared in consumer electronics such as smartphones and television sets. Unfortunately, the OLED market is still curbed by some drawbacks of this technology — namely high manufacturing costs and limited lifetime. By replacing the organic emitting layer by quantum dots, one could expect to partially solve these problems and further improve the performances of the so-called QD-LED devices.The aim of this study is to produce semiconductor nanocrystal quantum dots which are non-toxic and exhibit all the required features for their successful integration inside QD-LED structures.A new approach for the synthesis of colloidal indium antimonide (InSb) nanocrystals relying on the use of a gaseous antimony precursor was firstly developed. Thanks to the optimization of several reaction parameters, the nanocrystals obtained by this pathway exhibit a good crystallinity, a reduced size dispersion, and are highly stable in solution. Unfortunately, no photoluminescence signal was recorded — probably because of an amorphous shell surrounding the particle cores — so these nanocrystals cannot be used for optical applications.Then, we investigated the chemical synthesis of indium phosphide (InP) based quantum dots likely to yield a working QD-LED prototype. Owing to composition gradient shells, we produced nanocrystals exhibiting a high photoluminescence quantum yield and a good stability in oxygen-rich medium.Finally, we made several preliminary attempts in order to integrate indium phosphide based nanocrystals in light-emitting diodes. The quantum dot films were deposited by the “Langmuir-Schaeffer stamping” technique while the other layers made of small molecules were evaporated. Despite its still modest performances, the emission of the elaborated QD-LEDs shows a neat contribution from the embedded quantum dots. These results open the way for future developments.

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