Cette thèse comporte trois parties principales : la première concerne la synthèse et la fonctionnalisation des nanoparticules (NPs) d’or de forme sphérique et cylindrique. Les NPs d’or sont obtenues par réduction d’un sel métallique. En faisant varier certains paramètres de synthèse tels que la concentration en sels et/ou la concentration en réducteur, on peut facilement ajuster la taille de NPs sphériques. Bien qu’il existe diverses méthodes permettant de préparer des NPs cylindriques, il subsiste un problème de reproductibilité basée sur la pureté des produits de synthèse. Les différentes analyses de CTAB nous ont permis de proposer des solutions à ce problème. La fonctionnalisation de la surface des NPs d’or permet d’apporter à ces dernières de nouvelles propriétés tout en conservant leurs propriétés intrinsèques. Le but de cette fonctionnalisation est de modifier la surface des NPs en fonction des applications visées. Nous présentons ainsi différentes études de fonctionnalisation par des polyélectrolytes (PEI et PSS), des couches oxydes de SiO2, et de TiO2 et par le TDBC. La réponse optique des NPs d’or étant sensible à l’indice de réfraction du milieu environnant, il est possible de suivre et de quantifier cette fonctionnalisation par spectroscopie d’absorption. Dans une seconde partie, nous avons développé une voie de synthèse simple permettant de préparer le cœur coquille Au@TDBC sans ajout supplémentaire de sels ou de bases et à température ambiante. Etant donné qu’il est possible de moduler la taille des particules, l’optimisation du couplage fort entre les transitions électroniques du TDBC et les modes plasmon de résonances des Nps d’Au a été obtenu correspondant à une énergie de Rabi de 220 meV valeur qui n’a pas encore été obtenue avec un tel système. Dans une troisième partie, nous avons développé une nouvelle approche basée sur la méthode de Stöber pour fonctionnaliser les NPs avec des couches d’oxyde de SiO2 et de TiO2. L’utilisation des systèmes Au@TiO2 est une perspective intéressante en photocatalyse car le contact entre le métal et le semi-conducteur devrait entrainer une nette augmentation de l’efficacité photocatalytique. En effet, le métal agit comme un réservoir de photoélectrons améliorant le transfert de charges interfaciales tout en retardant la recombinaison des paires électrons-trous photo excités du semi-conducteur. / This thesis has three main parts: the first part relates to the synthesis and the functionalization of spherical gold nanoparticles (NPs) and nanorods. Gold NPs are obtained by chemical reduction of gold salt. By varying some synthesis parameters such as gold salt concentration and or reducing agent concentration, we can easily adjust the size of gold NPs. Different methods can be used to prepare gold nanorods, but there is a problem of reproducibility. This problem is based on the purity of products used to prepare gold nanorods. Different analysis of CTAB allowed us to propose solutions to this problem. Functionalization brings to gold NPs new properties. The aim of the functionalization is to modify the surface of gold NPs based on the intended applications. We present various functionalization of Au NPs by polyelectrolytes (PEI and PSS), oxides (SiO2 and TiO2) and TDBC. The optical response of Au NPs is sensitive to the refractive indexe of the surrounding medium, it is then possible to monitor and quantify this functionalization by absorption spectroscopy. In the second part of this work, we have developed a simple synthetic route for preparing Au@TDBC core shell without additional salts or bases at room temperature. Since it is possible to vary the particle size, optimization of the strong coupling between the electronic transitions of TDBC and the resonance plasmon of Au Nps obtained correspond to Rabi energy of 220 meV value which has not yet been achieved with such a system. In the third part, we have developed a new approach based on the Stöber method to functionalize the NPs with an oxide layer of SiO2 and TiO2. The use of Au@TiO2 core shell system is an interesting perspective in photocatalysis because the contact between metal and semiconductor should cause a marked increase in the photocatalytic efficiency. Indeed, the metal acts as a reservoir of photoelectrons improving the interfacial charge transfer while retarding the recombination of electron-hole pair of the semiconductor.

Cette thèse comporte trois parties principales : la première concerne la synthèse et la fonctionnalisation des nanoparticules (NPs) d'or de forme sphérique et cylindrique. Les NPs d'or sont obtenues par réduction d'un sel métallique. En faisant varier certains paramètres de synthèse tels que la concentration en sels et/ou la concentration en réducteur, on peut facilement ajuster la taille de NPs sphériques. Bien qu'il existe diverses méthodes permettant de préparer des NPs cylindriques, il subsiste un problème de reproductibilité basée sur la pureté des produits de synthèse. Les différentes analyses de CTAB nous ont permis de proposer des solutions à ce problème. La fonctionnalisation de la surface des NPs d'or permet d'apporter à ces dernières de nouvelles propriétés tout en conservant leurs propriétés intrinsèques. Le but de cette fonctionnalisation est de modifier la surface des NPs en fonction des applications visées. Nous présentons ainsi différentes études de fonctionnalisation par des polyélectrolytes (PEI et PSS), des couches oxydes de SiO2, et de TiO2 et par le TDBC. La réponse optique des NPs d'or étant sensible à l'indice de réfraction du milieu environnant, il est possible de suivre et de quantifier cette fonctionnalisation par spectroscopie d'absorption. Dans une seconde partie, nous avons développé une voie de synthèse simple permettant de préparer le cœur coquille Au@TDBC sans ajout supplémentaire de sels ou de bases et à température ambiante. Etant donné qu'il est possible de moduler la taille des particules, l'optimisation du couplage fort entre les transitions électroniques du TDBC et les modes plasmon de résonances des Nps d'Au a été obtenu correspondant à une énergie de Rabi de 220 meV valeur qui n'a pas encore été obtenue avec un tel système. Dans une troisième partie, nous avons développé une nouvelle approche basée sur la méthode de Stöber pour fonctionnaliser les NPs avec des couches d'oxyde de SiO2 et de TiO2. L'utilisation des systèmes Au@TiO2 est une perspective intéressante en photocatalyse car le contact entre le métal et le semi-conducteur devrait entrainer une nette augmentation de l'efficacité photocatalytique. En effet, le métal agit comme un réservoir de photoélectrons améliorant le transfert de charges interfaciales tout en retardant la recombinaison des paires électrons-trous photo excités du semi-conducteur.

L’oxyde de zinc est un matériau prometteur pour la réalisation de composants optoélectroniques dans la gamme des émetteurs UV. Pour cela il faut développer des hétéro-structures tel que des puits quantiques ZnO/(Zn, Mg)O afin de mieux contrôler les propriétés d’émissions. Ce travail porte sur la caractérisation de telles structures crûes sur le plan A, surface non polaire, de ZnO massif. A partir de mesures de spectroscopie optiques (réflectivité, photoluminescence en excitation continue et photoluminescence résolue en temps) nous avons déterminé les différents phénomènes physiques mis en jeux lors de la recombinaison radiative des porteurs dans ces puits quantiques. Dans un premier temps, nous avons étudié en détail l’émission des photons par les barrières de (Zn, Mg)O. Grace à l’étude en température nous avons montré que l’émission optique de la barrière correspond à la recombinaison de paires électron trou en interactions (excitons) qui sont à basses températures localisées dans des fluctuations de potentiel. Sous l’effet de la température ils se délocalisent et se recombinent comme des exciton libres. L’étude détaillée des déclins temporels de photoluminescence nous à permis de démontrer que nous avions affaire à deux états excitoniques différents qui présentent des dynamiques de recombinaisons différentes. Un modèle est proposé pour rendre compte des différentes observations. La partie principale de ce travail porte sur le comportement des excitons dans le puits quantique. Le résultat majeur de cette étude est la démonstration expérimentale que dans ce cas des complexes excitoniques, ici des trions chargé négativement (exciton en interaction avec un électron libre), se forment à basse température et sont responsable de la luminescence observée. De plus, en variant la densité d’excitation nous avons montré que se former également des bi-excitons (pseudo particule formée de deux exciton en interactions). Le comportement en température de la photoluminescence obtenue dans différente conditions d’excitation à permis de démontrer que sous l’effet de l’énergie thermique les complexes excitoniques se dissociés pour créer des excitons libres. Des mesures en fonction de la polarisation de la lumière émise et de la température ont permis également d’étudier l’état C de l’exciton dans le puits. Les dynamiques de recombinaison des différents complexes excitoniques sont examinées en fonction de la température. / The zinc oxide is a promising material for the realization of optoelectronic devices in the blue-UV range. For this, it is necessary to develop hetero-structures such as ZnO / (Zn, Mg) O quantum wells in order to have better control of the properties of emissions. This work concerns the characterization of such structures grown on the A-plane (non-polar surface) of bulk ZnO. From optical spectroscopies measurements (reflectivity, continuous wave and time-resolved photoluminescence) we determined the various physical phenomena involve during the radiative recombination of the carriers in these quantum wells. At first, we studied in detail the emission of photons by the barriers of (Zn, Mg) O. Thanks to the study in temperature we showed that the optical emission of the barrier corresponds to the recombination of electron hole pairs in interactions (excitons), which are at low temperatures localized in the fluctuations of the potential. Under the influence of the temperature they delocalize and recombine as free exciton. From the detailed study of the temporal decays of photoluminescence we can demonstrate that we deal with two different excitonic states, which present different dynamics of recombination. A model is proposed that explain the various observations. The main part of this work concerns the behavior of the excitons in the quantum well. The major result is the experimental demonstration that excitonics complexes are formed at low temperature, negatively charged trion (exciton in interaction with a free electron), in this system and they are responsible for the observed luminescence. Furthermore, by varying the density of excitation we showed that biexcitons are also form (pseudo-particles formed by two excitons in interactions). The behavior in temperature of the photoluminescence obtained in different conditions of excitation demonstrates that under the influence of the thermal energy the exitonic complexes are broken to create free excitons. Measures according to the polarization of the emitted light and the temperature also allowed studying the C state of the exciton in the quantum well. The dynamics of recombination of the various excitonics complexes are examined according to the temperature.

Ce travail de thèse a porté sur l'élaboration de nanoparticules et de couches minces d'oxydes spinelles mixtes de MxCo2-xMnO4 (M = Ni, Cu, Zn ; x = 0, 0,15, 0,30, 0,60) semi-conducteurs, absorbants de lumière avec d'intéressantes applications potentielles pour la photo-catalyse et le photovoltaïque. Le premier chapitre présente tout d'abord une vue globale du contexte énergétique à l'échelle mondiale et des ressources d'énergie renouvelables, alternatives aux énergies fossiles les plus répandues. Une revue détaillée est ensuite faite des différents matériaux et systèmes employés dans la fabrication de cellules solaires, en portant une attention plus particulière à un nouveau type de cellules photovoltaïques en couches minces, dites " Tout-oxyde ", basées notamment sur l'utilisation d'oxydes de type spinelle utilisés comme absorbeurs solaires. Le deuxième chapitre présente les techniques expérimentales de synthèse et de caractérisation utilisées lors de ce travail de thèse. Le procédé de polycondensation inorganique, optimisé au laboratoire, utilisé pour synthétiser les poudres d'oxydes à basse température (T < 120 °C) sans agent organique complexe est décrit. Ensuite, les méthodes de préparation de dispersions colloïdales à l'ambiante dans l'éthanol et de films minces homogènes d'oxydes par trempage-retrait sont explicitées. Le troisième chapitre présente les résultats détaillés des structures atomiques et électroniques des matériaux de base à l'étude, issus de calculs par la méthode Density Functional Theory (DFT), réalisés en collaboration avec le laboratoire CEMES de Toulouse. Les résultats des calculs de densités électroniques et détermination de structures de bandes, réalisés pour la première fois à notre connaissance, sur l'ensemble de la solution solide MnxCo3-xO4 (0 = x = 3), sont comparés à nos données expérimentales, obtenues notamment sur les largeurs de bande interdite (gap) à partir de mesures optiques faites sur couches minces. Un gap de 0,8 eV est calculé, qui serait dû à des transitions inter-métalliques en sites B. Deux gaps à 1,5 et 2,2 eV, obtenus expérimentalement dans l'UV-VIS, qui augmentent avec la quantité de manganèse, correspondraient à des transitions respectives B-A et O-B, respectivement. Les propriétés magnétiques de ces matériaux sont également discutées. Le quatrième chapitre présente l'élaboration et la caractérisation (micro-)structurale des poudres et des couches minces d'oxydes de type spinelle. Toutes les compositions (Co2MnO4 dopé au Ni, Cu ou Zn) cristallisent dans une phase cubique. Les nanoparticules sont sphériques avec la taille variant entre 20 et 50 nm. Les couches minces homogènes ont été déposées sur quartz, alumine, nitrure de titane et platine afin de mesurer leurs propriétés électriques et optiques. Une température de frittage environ de 1000 °C sous air a été déterminée par dilatométrie et les couches sont stables jusqu'à 900 °C quel que soit le substrat. En revanche, seules les couches déposées sur platine permettent d'atteindre la température de frittage sous air (et d'accroitre la compacité donc la conductivité des couches) sans réaction avec le substrat. Le chapitre cinq présente les variations des propriétés optiques et électriques des couches minces avec le frittage. Les propriétés d'absorbance de lumière des couches minces ainsi préparées, mesurées sur une gamme de longueurs d'ondes du domaine spectral UV-visible, montrent deux bandes d'absorbance, correspondantes à deux valeurs de gap pour chaque composition. La propriété d'absorbance des couches minces augmente dans la gamme du visible après frittage et les gaps diminuent. Les couches minces sont plus compactées. La résistivité des couches minces diminue de 105 à 102 Omega.cm avec l'augmentation de la température de 20 à 300 ºC. Une étude parallèle, basée sur la préparation de films minces absorbants de lumière de Co2MnO4 et Cu2O par la technique de Pulsed Laser Deposition (PLD) est également présentée. / The present thesis deals with the synthesis and structural characterization of transition metals doped cobalt and manganese based spinel oxides MxCo2-xMnO4 (with M = Ni, Cu, Zn and x = 0, 0.15, 0.30, 0.60), in relationships with their conduction and optical properties. These materials are good p-type semiconductors and light absorbers in the UV and visible regions, therefore interesting for photo-catalysis and photovoltaics. The first chapter is a brief overview of the energy context and nature of global warming, renewable energy resources and a literature review of materials used for solar cells including the newly studied system type based on all-oxide photovoltaics. Chapter two presents all the experimental methods and characterization techniques used for this research work. The inorganic polycondensation method optimized in our laboratory and used for synthesizing spinel oxide powders at low temperature (T < 120 °C) without complex organic agents is described. Then, the preparation of colloidal dispersions stabilized at room temperature using an azeotrope solution based on absolute ethanol and water only is described, in order to obtain homogenous oxide thin films by the dip-coating technique. The third chapter presents detailed results on the atomic and electronic structures of the materials under study performed by using a full density functional theory investigation thanks to a collaboration with the CEMES. First principles electronic structure calculations were performed for the first time to our knowledge over the whole spinel oxide solid solution range MnxCo3-xO4 (0 = x = 3), and compared with our experimental data. A small band gap of ~ 0.8 eV is calculated, due to metal-metal transitions in B sites. The experimental band gaps observed at 1.5 and 2.2 eV, which increase with the amount of manganese, would correspond to B-A and O-B transitions, respectively. The magnetic properties of these materials are also discussed. Chapter four shows the experimental details of the preparation and characterization of the spinel oxide powders, colloidal dispersions and thin films. All samples (Ni, Cu or Zn-doped Co2MnO4) are well crystallized with a single cubic spinel oxide phase. Nanoparticles are spherical and their diameters vary from 20 to 50 nm, doping with Zn, Ni to Cu, mainly due to steric effects. Homogenous oxide thin films were deposited on quartz, alumina, titanium nitride and platinum in order to measure their optical and electrical properties, and to increase the film compactness (thus electrical conductivity and light absorbance) after thermal treatment. Thin films are well preserved up to 900 °C in air and can handle higher temperatures (up to 1000 ºC) on platinum without reaction with the substrate. Chapter five deals with the optical and electrical properties of thin films before and after sintering. The optical properties were measured over a wide range of wavelengths (UV-VIS). The optical properties of spinel oxide thin films show two strong absorption band gaps for each composition at the UV front and close to 700 nm in wavelength. These band gaps are direct and mostly lower than 2 eV for the first band. Both band gaps increase with further doping and decrease after annealing. Thin film resistivity is about 105 .cm at room temperature and decreases with increasing temperature (a few tens of 20cm at 300 ºC). In parallel to the soft chemistry method and dip-coating technique used to prepare our spinel oxide thin layers, Pulsed Laser Deposition technique was used to prepare pure Co2MnO4 and Cu2O dense thin films. Their structural and optical main features are discussed.