Die Arbeit befasst sich mit dem chemischen Verhalten von Oberflächen an Siliciumnanopartikeln. Diese stehen in ihrer Reaktivität, aufgrund des großen Verhältnisses Oberfläche zu Volumen, zwischen einzelnen Atomen und ausgedehnten Kristallen. Durch Umsetzung mit unterschiedlich funktionalisierten Molekülen gelingt es, die Oberfläche der Partikel zu modifizieren. Dabei wurde eine neue Möglichkeit gefunden, Si-C-Bindungen auf Si-Oberflächen zu erzeugen. Die Modifizierung mit Wasserstoff (durch Behandlung mit HF) oder mit Chlor (durch Umsetzung mit Chlorierungsmitteln) schafft neue, synthetisch wertvolle Ausgangssituationen. Darauf aufbauend konnten Alkyl, Alkoxy- und Amingruppen kovalent angeknüpft werden. Die chemische Modifizierung der Nanopartikel führt zu verändertem Photoleitfähigkeits- sowie Photolumineszenzverhalten. Es wurde ein Vorschlag zur Deutung dieser Effekte entwickelt.

Cette étude prend place dans le cadre du projet ANR Inxilicium visant à la réalisation de cellules solaires en couches minces de silicium par jet d’encre. Les nanoparticules de silicium sont des matériaux à fort potentiel pour la levée de verrous technologiques grâce à leurs propriétés spécifiques. Des encres de nanoparticules de Si issues de diverses méthodes de synthèse ont été imprimées par jet d’encre sur différents substrats : quartz, électrodes métalliques (aluminium, molybdène) et transparente conductrice (ZnO:Al). L’optimisation du procédé d’impression, de l’interaction encre/substrat (via la modulation de l’énergie de surface des substrats) et de l’étape de séchage a permis l’obtention de couches minces homogènes et continues (plusieurs centaines de nm à quelques µm d’épaisseur)A posteriori, une étape de recuit est nécessaire pour recouvrer des propriétés fonctionnelles. L’utilisation de nanoparticules à la physico-chimie de surface contrôlée fait décroître les températures de frittage de 1100 °C à environ 600 °C. En complément, des recuits sélectifs (micro-ondes et photonique) ont été évalués pour leur application sur des substrats flexibles et bas coûts.Les propriétés optiques et les interfaces électrode/silicium ont été examinées afin d’intégrer ces couches dans des dispositifs (cellule solaire…). La formation de transitions métallurgiques Al-Si et Mo-Si a été étudiées par DRX-in situ. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation d’une jonction PN montrant un comportement photovoltaïque à fort champ grâce aussi à la mise au point d’une méthode innovante de collage ouvrant la voie à une réduction du bilan thermique des procédés de fabrication. / This study takes place in the frame of the Inxilicium project from the National Research Agency, which targets the fabrication of silicon thin film solar cells by inkjet-printing. Thanks to their specific properties, silicon nanoparticles are materials with strong potential for technological breakthroughs. Silicon nanoparticle-based inks made by different synthesis routes have been inkjet-printed on different substrates: quartz, metallic electrodes (aluminum, molybdenum) and transparent electrodes (ZnO:Al). Homogeneous and continuous thin films (from several hundreds of nm to some µm thick) have been obtained through optimization of the printing process, the ink/substrate interaction (via substrates surface energy tuning) and the drying step.A posteriori, an annealing step is mandatory for recovering of functional properties. By using nanoparticles with tailored surface physical chemistry, the sintering temperature decreases from 1100 °C to 600 °C. In order to allow the use of this material on flexible and low cost substrates, selective sintering (microwave and photonics) have been also evaluated.Thin film optical properties and electrode/silicon interfaces have been investigated with the purpose to integrate those layers into devices (solar cells…). Metallurgical evolution of Al-Si and Mo-Si physical interfaces has been studied by in situ XRD.This work allowed the fabrication of a PN junction with a photovoltaic behaviour under strong polarization voltage thanks to the development of an innovative thermal pasting process, which opens the way to the reduction of process thermal budget.

Le travail de cette thèse intitulée "Nanomatériaux luminescents pour des applications en diagnostic" consiste en la synthèse, la caractérisation et les applications en bioimagerie des nanomatériaux. Des nanoparticules de silicium ont été synthétisées et modifiées avec des groupements fonctionnels (amino, carboxylate, sucre et complexes de platine(II)) sur la surface et appliquées dans l'imagerie cellulaire avec des cellules HeLa. En outre, l'ensemble des nanoparticules de silicium modifiées avec des complexes de platine(II) présentent un effet d’émission d’agrégation induite (AIE) intéressant. Par ailleurs, une série de complexes d'iridium(III) ont été synthétisés permettant d’obtenir une émission allant du jaune au rouge. Ces complexes d'iridium(III) ont en outre été utilisés pour une application en électrochimiluminescence (ECL). L’ECL est un outil d'imagerie qui génère des émissions sans excitation lumineuse et qui attire de plus en plus l’attention dans les analyses biologiques. Des nanosytèmes de « carbon dots » et des nanoparticules de silicium modifiés avec des complexes métalliques ont également été étudiés pour des propriétés en ECL. / The work of this thesis titled “Luminescent Nanomaterials for diagnostic applications” is synthesis, characterization and bioimaging applications of nanomaterials. Silicon nanoparticles were synthesized and modified with different functional groups such as amino, carboxylate, sugar and platinum(II) complex on the surface, and applies for cellular imaging at HeLa. Moreover, the assembly platinum(II) complexes modified silicon nanoparticles exhibit an interesting aggregation induced emission (AIE) effect. In addition, a series of iridium(III) complexes were synthesized with tunable emission color from yellow to red. Those iridium(III) complexes were further used for electrochemiluminescence (ECL) application. ECL is an imaging tool that generate emission without light excitation and has gained more attention in many bioassays. Besides, nanosystem of metal complex modified carbon dots and silicon nanoparticles were also investigated the ECL properties.

Les phénomènes quantiques des nanostructures peuvent être une opportunité pour le développement d’une nouvelle génération de cellules photovoltaïques. Ce travail décrit la synthèse et les caractérisations de nanoparticules de silicium dans une matrice d’oxynitrure de silicium. Il est possible d’obtenir des nanoparticules de silicium de diamètre compris entre 3 et 7 nm dans des matrices allant du nitrure de silicium à l’oxyde de silicium. Les propriétés des nanoparticules dépendent très fortement de la composition de la matrice. Afin d’accroître la conduction dans ces couches diélectriques, nous avons effectué un dopage électrique par implantation ionique. La localisation et la densité des ions implantés ont été observées par des techniques associées de microscopie électronique en transmission et de rayons X. Une augmentation de la conduction a été démontrée lors du dopage permettant d’observer un effet photovoltaïque sur une structure comportant des nanoparticules de silicium. / Quantum effects in nanostructures exhibit properties that can be very useful for the development of a new generation of solar cells. We investigated the synthesis of silicon nanostructures in silicon oxynitride made by a plasma enhanced chemical vapour deposition technique. Thus, silicon nanoparticles of diameter between 3 and 7 nm were obtained in different matrix ranging from silicon oxide to silicon nitride. The properties highly depend on the composition of the matrix. We also study the incorporation of impurities in the films with the aim of increasing the electrical conductivity of the structure. This was done by implanting different ions in the structure followed by thermal annealing. We have investigated the position of the ion and its content in the composite by combining Transmission Electron Microscopy and X-ray diffraction. Finally, N+/P junctions were fabricated using highly doped films containing silicon nanoparticles and a photovoltaic effect was demonstrated.

Ce projet vise à développer et à analyser de nouveaux nanovecteurs pour des applications biomédicales. Nous travaillons en étroite collaboration avec des chimistes pour mettre au point des nanoparticules hautement efficaces (principalement des nanoparticules de silicium poreux - pSiNPs). Mon travail consiste à évaluer la toxicité des nano-objets développés et à établir leur potentiel en terme de thérapie photodynamique et d'imagerie. Les nanovecteurs sont recouverts de sucres reconnus par les lectines surexprimées par les cellules cancéreuses. Cette interaction permet le ciblage spécifique des cellules cancéreuses par les nanovecteurs. Lors des études in vitro, nous sélectionnerons les nano-objets les plus prometteurs pour réaliser des études préliminaires in vivo. / The focus of this project concerns the development and the analysis of new nanocarriers for biomedical applications. We work in collaboration with chemists to design efficient nanoparticles (mainly porous silicon nanoparticles - pSiNPs). Then, I evaluate their cytotoxic activity and their photodynamic therapeutic effect as well as their imaging potential. Nanovectors are coated with sugar recognized by lectins overexpressed on the surface of cancer cells. This interaction permits the specific targeting of cancer cells by nanovectors synthesized. During the study in vitro, we will select the most promising nanotools for preliminary studies in vivo.

La modification des propriétés optiques et électriques du silicium apportée par la réduction en taille, notamment due aux effets de confinement quantique des porteurs de charges, est aujourd'hui bien connue et a permis le développement de nouveaux systèmes en optoélectronique. Comme dans le cas du silicium massif, le dopage devrait permettre d'optimiser les propriétés du silicium nanostructuré. Cependant, les caractéristiques du dopage dans le silicium nanostructuré sont encore mal comprises et de nombreux questionnements, concernant la localisation des impuretés ainsi que leur état d'activation, restent en suspens. De plus, l'environnement des impuretés semble avoir une influence majeure sur l'ensemble des propriétés. Cette thèse vise à mieux comprendre les caractéristiques structurales du dopage à l'échelle atomique en fonction de la nature de l'impureté, de la matrice hôte et de la technique d'élaboration. Pour cela, nous avons étudié deux types de système en sonde atomique tomographique. Le premier concerne un dopage aux ions de terres rares dans les silicates d'hafnium. Nous avons mis en évidence que la formation de nano-grains de HfO2 cristallisés sous la forme cubique permet un transfert d'énergie efficace vers les ions praséodyme. Le second porte sur les dopages de type n et p de nanocristaux de silicium insérés dans la silice. Nous avons démontré l'introduction des impuretés de type n (As, P) au cœur des nanocristaux, indépendamment de la technique d'élaboration, permettant de réaliser des forts dopages. Un comportement différent a été mis en évidence pour les impuretés de type p, avec l'accumulation de Bore aux interfaces entre les nanocristaux et la matrice. / The change of silicon optical and electrical properties induced by size reduction, due to the quantum confinement of charged carriers, is a well-known effect and allowed to develop new optoelectronic devices. As in bulk silicon, doping should allow to optimize these properties in nanostructured silicon. However, the characteristics of doping of nanostructured silicon still misunderstood and many questions, concerning the location of impurities and their activation state, remain unanswered. Moreover, in these materials, the environment of impurities seems to inuence strongly all of their properties. The purpose of this thesis is to get a better understanding of structural characteristics of doping at the atomic scale in function of the nature of the impurity, the host matrix, and the elaboration technic. In this way, we have investigated two di_erent systems using atom probe tomography. The first concerns a rare earth doping of hafnium silicates. We have evidenced that the clustering of HfO2 nano-grains crystallized in their cubic form induced an efficient energy transfer with praseodymium ions. The second system concern the n and p type doping of silicon nanocrystals embedded in silica. We have demonstrated the important introduction of n type impurities (As, P) in the core of every nanocrystals, independently of the elaboration technic. This introduction of impurities should allow the formation of highly doped silicon nanocrystals. A different behavior has been observed in the case of p type doping, represented by the aggregation of Boron at the interface between the nanocrystals and the silica matrix.

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Planetary ball milling (PBM) is a well-known technique for efficient size reduction and homogenization of materials that has been used for many decades in various engineering and industrial processes. More recently, it has emerged as a unique top-down nanofabrication approach for nanomaterials based on nanoscale grinding. However, its potential application in nanostructured thin film fabrication has not been fully explored, as only a limited number of studies have been carried out. In this work, the effects of different grinding parameters (speed, time and solvents) were used to create previously unstudied nanoscale grinding conditions for nanostructured thin film materials via PBM with distinct and novel properties: Nanoparticles of silicon, titanium disilicide (TiSi2) and zinc oxide (ZnO) ground in different solvents (deionized (DI) water/ ethylene glycol (EG)/isopropyl alcohol) resulted in colloidal suspensions (or nanoinks) that could be used to coat various substrates (wafers, glass, flexible substrates, etc.) via drop casting, doctor blading or dip coating. Thin film properties such as wettability, electrical conductivity and gas sensing behavior are studied. The fabricated thin film coating properties could be tuned depending on the combination of starting powder materials, grinding parameters and resulting nanoparticle size/geometry: The influence of surface chemistry, solvent type, particle geometry, surface roughness and defects was shown to alter the conductivity and surface wettability of the resultant films. Thus, thin films formed using PBM nanoinks allow varied and tunable properties for advanced multi-functional coatings and devices. To demonstrate the feasibility of PBM nanoinks for thin film device applications, ZnO nanoinks were used to create chemiresistive gas sensors that operate at room temperature. By varying grinding parameters (speed, time and solvent) thin film sensors with differing particle sizes and porosity were produced and tested with air/oxygen against hydrogen, argon and methane target gas species, in addition to relative humidity. Grinding speeds of up to 1000 rpm produced particle sizes and RMS thin film roughness below 100 nm, as measured by atomic force microscopy and scanning electron microscopy. Raman spectroscopy, photoluminescence and x-ray analysis confirmed the purity and structure of resulting films. The peak gas sensor response was found for grinding parameters of 400 rpm (average particle size 275 nm) and 30 minutes (average particle size 225 nm) in EG and DI water, respectively, which could be correlated to an increased film porosity and an enhanced electron concentration resulting from adsorption/desorption of oxygen ions on the surface of ZnO nanoparticles. Similarly, gas response and dynamic behavior were found to improve as the operating temperature was increased between 100 and 150 °C. These results demonstrate the use of low-cost PBM nanoinks to optimize the active materials for solution-processed thin film gas/humidity sensors that can operate at room temperature for use in environmental, medical, food packaging, laboratory, and industrial applications. Overall, the nanogrinding technique can produce large amounts of nanoparticle suspension with variable particle sizes for creating thin films with tunable properties. By adjusting grinding parameters, the nanoparticle shape/size and properties can be varied resulting in nanoparticle inks for inexpensive coatings on various substrates and for use in different applications. / Graduate