No description available.

The primary objective of the research is to investigate photosensitive semiconducting materials, mainly organic, and utilise them in antenna front-end systems and dynamic lenses for sub-THz applications. Mechanisms such as phase-shifting and photo-conductive switching are introduced in EM-devices to alter the antenna performance and behaviour. Using such mechanisms the devices are able to attain frequency, radiation pattern and polarisation reconfigurability. The common inorganic semiconductor, Si, and organic semiconductors such as poly 3-hexylthiophene (P3HT), [6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) have been extensively studied and used in the exemplar EM-devices developed for this thesis. In this research, novelty is deployed with the use of photosensitive semiconductors as a means of 'tuning' dielectrics to control the propagation of the emerging beam-field of an antenna. Both organic and inorganic photosensitive semiconductors have been implemented in this work. The research begins by exploring the physical properties of such photosensitive semiconductors at microwave frequencies. Medium-resistivity Si was characterised using a conventional microstrip transmission line and the conductivity of the Si piece in dark and active states were estimated by matching its transmission characteristics with the modelled Si in CST Studio Suite. Thereafter the modelled Si was used in an antenna design to estimate the reconfigurability of the device. However, inorganic semiconductors are being replaced with organic semiconductors because of their inflexibility in device fabrication. Organic polymers, on the other hand, are light in weight, can be cast onto any surface, when blended with an organic solvent, and also photo-excited using white light. Organic polymer heterojunction 95% P3HT: 5% PCBM was characterised and changes in the real and imaginary parts of the complex dielectric constant of the organic blend are measured in the range of -0.05 to -0.55 and +0.01 to +0.52 respectively, over the sub-THz frequency-domain. In order to demonstrate EM-control of a wave using a photo-sensitive material, a two-element patch antenna array using organic polymer P3HT-PCBM is fabricated and the functionality for antenna beam steering examined. Non-optimum illumination of the organic layer on the antenna patches, led to an asymmetric and perturbed beam steer. Hence, a novel optically triggered antenna has been proposed at S-Band (2 - 4 GHz), where sodalime glass is being used as lower substrate, ITO (Indium Tin Oxide), transparent to white-light, as the ground plane and transmission lines along with patches are modelled onto the upper substrate layer (P3HT:PCBM). The estimates of the dielectric changes in the organic polymer blend due to optical excitation were used as inputs in the modelled device to show the proof-of-concept for beam steering with such a phase-shifting device. In addition, the antenna design also demonstrated that with a small change in the real part of the permittivity of the substrate it is possible to generate a maximum beam steer of 5°, using an effective phase-shifting design in CST Studio Suite. At millimetre-wave or sub-terahertz frequencies, small changes in the dielectric with excitation-region depth comparable to the wavelength are plenty to manipulate the emerging wave of an antenna or lens. Hence, an optically-activated dynamic lens is proposed and designed to dynamically control millimetre-wave transmission using optical illumination. The lens acts as a graduated gateway for phase transmission by adjusting the spatial permittivity across the lens. A nearfield measurement system is used to analyse the performance of the lens over the WR-10 (75 - 110 GHz) waveband. The phase distribution of the electric field across the face of the plane organic lens shows a similar pattern in the spatial phase-distribution of the lens plane in the active state as that projected by the illuminating source, allowing for projection-angle-induced cosine errors. Hence the dynamic operation of the lens can be beneficial for beam controlling applications in imaging, surveillance and remote sensing in the mm-wave frequency-domain.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21785号 / 工博第4602号 / 新制||工||1717(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻 / (主査)教授 村田 靖次郎, 教授 大江 浩一, 教授 中村 正治 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Les cellules solaires organiques à hétérojonction en volume (BHJ en anglais) font l'objet d'un grand intérêt car elles représentent une source d'énergie bon marché et renouvelable. Cependant, à cause des rendements généralement bas, ce type de cellule peine à intégrer le marché. Afin d’en augmenter le rendement, contrôler la morphologie des semi-conducteurs dans la BHJ représente un élément clé. Dans ce contexte, il apparaît, dans la littérature, que les additifs solvant permettent de contrôler cette morphologie et d'augmenter les rendements.Cette thèse a pour but de fournir une étude complète sur l'utilisation des additifs. Le couple de semi-conducteurs étudié est le poly(3-hexylthiophene) (P3HT)/[6,6]-phényl-C61butanoate de méthyle (PC61BM).Une première partie présente une méthode développée pour guider la sélection d'additifs parmi une liste de solvants. Cette méthode emploie les paramètres de solubilité de Hansen des semi-conducteurs. Elle est appliquée au système P3HT/PC61BM et résulte en l'identification de trois nouveaux additifs performants. Ensuite, des caractérisations structurales, électriques et optiques sont menées sur la BHJ et permettent d'identifier les effets des additifs. Les effets de ces additifs se révèlent être différents en fonction de l'architecture des dispositifs. L'origine de telles différences est corrélée aux variations de mobilités des porteurs de charge causées par les additifs. Des tests de photo-stabilité ont été menés et montrent que les additifs sont capables d'augmenter la stabilité des cellules solaires. L’origine de telles améliorations est étudiée. Enfin, l'étude est étendue à deux autres nouveaux polymères semi-conducteurs. / Polymeric bulk heterojunction (BHJ) organic solar cells (OSCs) have attracted significant interest as a low cost and renewable technology to harvest solar energy. However, their generally low efficiencies are a barrier for their movement into commercial application. Controlling the BHJ morphology is a key step in the pursuit of higher OSC efficiencies. Processing additives have emerged as effective components for optimizing the BHJ morphology. This thesis provides a comprehensive study on the introduction of additives in the formulation of semiconductors. The semiconductor system studied is based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61 BM). First, a method was developed to guide the selection of additives from a large range of solvents. This method employs the Hansen solubility parameters of the semiconductors and was successfully applied to the P3HT/PC61 BMsystem. It resulted in the identification of three new efficient additives. Next, the mechanistic role of additives in influencing the BHJ morphology is investigated by performing structural, electrical and optical characterizations. Also, the effect of additives on OSC performance was found to depend on the type of the OSC architecture. Such differences were correlated to the variations in charge carrier mobilities caused by the additive. Furthermore, photo-stability tests, performed on different types of OSCs, showed that processing additives can improve the photo-stability. The origin of such improvement is investigated. Finally, the scope of this study is extended to two other donor semiconducting polymers.

Les travaux effectués dans le cadre de la thèse de doctorat, ont porté sur la mesure de la mobilité des porteurs de charge dans des semi-conducteurs organiques. La thèse de doctorat a été réalisée en "cotutelle" dans le cadre du programme franco-polonais entre le Département de Chimie de l'Université de Technologie de Wroclaw et les Laboratoire de Chimie des Polymères de l'Université Pierre et Marie Curie, Paris. Certains des résultats présentés ont été obtenus dans le cadre d'un stage scientifique dans la groupe du prof. Jeong Weon Wu à l'Ewha Womans University, Séoul, Corée du Sud. Cette thèse se compose de deux parties principales, une théoriques et expérimentales. Dans le premier, je décris matériaux semi-conducteurs organiques et les techniques de mesure, que je utilisé au cours de la thèse. La partie expérimentale est composé de cinq chapitres. En raison du fait que les molécules recherchées diffèrent fortement dans leurs structures et leurs propriétés, je décidai de présenter chaque chapitre dans la forme d'un article scientifique. La caractéristique commune de toutes les molécules étudiées est la possibilité de l'auto-organisation supramoléculaire dans les structures de cristaux liquides. Je étudié composés accepteurs-donneurs, qui peut être comprise comme matériaux de type p et n semi-conducteur. Au cours de ma thèse j'ai utilisé la technique de temps de vol et mesuré les caractéristiques courant-tension de transistor à effet de champ organique pour déterminer la mobilité des porteurs des charges dans semi-conducteurs organiques. Enfin, je payé beaucoup d'attention aux techniques spectroscopiques, y compris d'absorption femtoseconde résolue en temps. / I have carried out my PhD Thesis within the framework of a Polish-French “cotutelle” program, between Chemistry Department of Wroclaw University of Technology and Laboratoire de Chimie des Polymères of Université Pierre et Marie Curie. The Polish advisor of this work was Prof. Marek Samoć and the French advisor was Prof. André Jean Attias. A part of results described in this Thesis was obtained during a research internship in a group of Prof. Jeong Weon Wu from Ewha Womans University in South Korea. This Thesis is composed of two main parts, a theoretical and experimental. In the former I describe organic semiconducting materials and the measurement techniques, which I utilized during the PhD work. The experimental part is composed of five chapters. Due to the fact that the investigated molecules differed strongly in their structures and properties, I decided to present every chapter within a form of a scientific article. The common feature of all explored molecules is the possibility of supramolecular self organization into liquid crystalline structures, and the opportunity of utilizing these materials in organic electronics and optoelectronics. Among these molecules, both oligomers and polymers can be distinguished. I studied also donor acceptor compounds, which in terms of organic electronics can be understood as materials with p and n type semiconducting character. During my PhD Thesis I used Time-of-Flight technique and measured current voltage characteristics of organic field effect transistor (OFET) to determine charge carriers mobility in organic semiconductor. Finally, I paid a lot of attention to the spectroscopic techniques, including fs transient absorption.

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός προηγμένων υλικών για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις. Στα πλαίσια αυτής, επικεντρωθήκαμε στην ανάπτυξη και μελέτη μαγνητικών και ημιαγωγικών λεπτών υμενίων που βασίζονται σε οξείδια παραδοσιακών μετάλλων και ημιαγωγών. Ο μαγνητικός και οπτικός χαρακτηρισμός των υλικών αυτών υπό τη μορφή της νανοδομής του λεπτού υμενίου, αποκαλύπτουν νέες ιδιότητες με εξαιρετικά μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, έγινε καταρχήν ανάπτυξη πολυστρωματικών μαγνητικών υμενίων Ni/NiO, μονοστρωματικών ημιαγωγικών υμενίων Cu2O, CuO και NiO, όπως επίσης και μονοστρωματικών άμορφων μονωτικών υμενίων SiOx με ή και χωρίς ενσωματωμένες κβαντικές τελείες Si. Για κάθε σειρά υμενίων από τις κατηγορίες αυτές, έγινε μελέτη των μαγνητικών ή/και των οπτικών τους ιδιοτήτων. Τα υμένια Ni/NiO αναπτύχθηκαν σε διαφορετικά υποστρώματα με τη χρήση μιας μόνο κεφαλής magnetron sputtering και της μεθόδου της φυσικής οξείδωσης. Η διαστρωμάτωση του υλικού και η επαναληψιμότητα της μεθόδου αποδείχθηκαν εξαιρετικής ποιότητας. Για υμένια Ni/NiO με διαφορετικό πάχος στρώματος Ni έγινε εκτεταμένη μελέτη της εξάρτησης της μαγνήτισης και της ανισοτροπίας από τη θερμοκρασία. Βρέθηκε ότι τα υμένια με λεπτά στρώματα Ni εμφανίζουν τάση για κάθετη μαγνητική ανισοτροπία, η οποία προέρχεται από την υπολογίσιμη θετική ανισοτροπία επιφανείας που επιδεικνύουν αυτά. Τα ημιαγωγικά υμένια οξειδίων του Cu και του Νi αναπτύχθηκαν μετά από οξείδωση υμενίων των αντίστοιχων μεταβατικών μετάλλων. Τα άμορφα μονωτικά υμένια SiOx αναπτύχθηκαν με τη τεχνική της “reactive” ιοντοβολής. Στη συνέχεια, μέρος αυτών οξειδώθηκε πλήρως μετά από θέρμανση σε θερμοκρασία 950 οC και σε περιβάλλον αέρα, ενώ κάποια άλλα υποβλήθηκαν σε θερμική αποσύνθεση μετά από θέρμανση σε συνθήκες κενού στους 1000 οC. Με τη διαδικασία της θερμικής αποσύνθεσης, όπως αποδεικνύουν και οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, σχηματίζονται νανοκρύσταλλοι Si ενσωματωμένοι σε άμορφη μήτρα οξειδίου του Si. Για τα υμένια των οξειδίων του Cu και του Ni μελετήθηκαν με τη χρήση της φασματοσκοπίας UV-VIS τα φαινόμενα κβαντικού περιορισμού που παρουσιάζουν αυτά. Βρέθηκε ότι σε κάθε περίπτωση εμφανίζεται μετατόπιση της ακμής απορρόφησης προς μεγαλύτερες ενέργειες, καθώς το πάχος του υμενίου μειώνεται και γίνεται συγκρίσιμο με την εξιτονική ακτίνα Bohr του αντίστοιχου υλικού. Τα υμένια SiOx βρέθηκε ότι μετά από τη διαδικασία της θερμικής τους αποσύνθεσης παρουσιάζουν φωτοφωταύγεια, η οποία προέρχεται από τις εξιτονικές επανασυνδέσεις στις κβαντικές τελείες Si που εμπεριέχονται σ’ αυτά. Από την εργασία στα πλαίσια αυτής της Διατριβής, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να μεταβάλλουμε τις ιδιότητες παραδοσιακών υλικών, όπως είναι για παράδειγμα τα μέταλλα, οι κλασσικοί ημιαγωγοί και τα οξείδια αυτών, όταν αυτά αναπτύσσονται υπό τη μορφή νανοδομών. Οι νανοδομές αυτές μπορεί να εμφανίζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις με καινούργιες αλλά κι εντελώς ελεγχόμενες ιδιότητες. / The objective of this Thesis is the growth and the characterization of high tech materials which can be possible candidates for future applications in nanodevices. In the framework of the Thesis, we were mainly focused on the production and the study of magnetic and semiconducting thin films, which are based on oxides of metals and of conventional semiconductors. The magnetic and optical characterizations reveal that these materials, in the form of thin films exhibit new properties with exceptionally large technological interest. In more detail, magnetic Ni/NiO multilayers, semiconducting Cu2O, CuO and NiO thin films, as well as insulating amorphous SiOx thin films with or without embedded Si quantum dots, were produced. The magnetic and/or optical properties of each of the aforementioned thin film categories were studied and their impact on possible future applications was examined. The Ni/NiO multilayers were produced on various substrates with the aid of a single magnetron sputtering head and the natural oxidation process. The produced multilayers were of excellent layering and interface quality. An extended study of both the magnetization and the anisotropy as a function of the temperature and the varying Ni layer thickness was performed. It is found from the magnetic investigations, that the multilayers with thin Ni layers exhibit a trend for perpendicular magnetic anisotropy, which is attributed to the considerable positive surface anisotropy of the Ni/NiO interfaces. The semiconducting copper and nickel oxide thin films were produced via the oxidation of the corresponding metallic films. The amorphous SiOx films were fabricated via the reactive sputtering method. Part of the as deposited films was fully oxidized at 950 oC under the ambient air environment, whereas another part was thermally decomposed under vacuum conditions at 1000 oC. Electron microscopy investigations reveal that upon the thermal decomposition process of the films, embedded Si nanocrystals are formed in the amorphous matrix of the Si oxide. The Cu and Ni oxide films exhibited quantum confinement effects, which were studied via the UV-VIS spectroscopy. The recorded spectra reveal that the absorption edge shifts towards higher energies, as the layer thickness is reduced and becomes comparable with the excitonic Bohr radius of the material. The Si oxide thin films, after the thermal decomposition treatment are found to exhibit photoluminescence at the region between 1.3 and 1.5 eV which is originated to the excitonic recombination in the embedded Si quantum dots. Finally, it is deduced that conventional materials like metals, semiconductors and the oxides of them, can exhibit new properties when they are prepared in the form of nanostructure. These nanostructures can attract a lot of interest for possible applications in nanodevices with new but completely controllable properties.