Influence of defects on optics and electronics properties of ZnO nanoparticles
Influence des défauts sur les propriétés optiques et électroniques des nanoparticules de ZnO
Résumé
This study deals with the influence of defects on the electronic properties of ZnO nanoparticles (NPs).In order to perform this study we have synthesized ZnO NPs using an original physical way : the Low Energy Cluster Beam Deposition. The NPs size can be adjusted between 6 and 18 nm depending the synthesis parameters and their analysis shows that the NPs have a good stoichiometry, cristallinity and surface quality.The photoluminescence properties of different ZnO samples structured at different scales (i.e. nanoparticle, microcrystal and monocrystal) have been analyzed at different temperature (10K-300K). The good cristallinity of the NPs is confirmed by the lack of visible luminescence. The comparison of the 3,31 eV excitonic emission of ZnO samples structured at different scales shows that this band is due to extended defect and/or exciton-phonon coupling rather than a surface luminescence. Moreover the lack of the 3.31 eV in the NPs luminescence shows that these defect does not occurs in ZnO NPs. At last, the time resolved study of the donor bounded exciton emission shows a variation of the decay time with the size of NPs suggesting a Giant Oscillator Strenght phenomenon.The transport properties of ZnO NPs assembled thin film are determined by conductivity measurements at variable temperatures. Different possibilities are considered in order to explain the temperature dependence of the conductivity and correlated with the optical properties of the NPs, showing a hopping type conductivity. The huge reactivity of the nanostructured film strongly influences the conductivity showing a possibility to use ZnO NPs as a gas sensor.
L’objectif de cette étude est de mieux comprendre le rôle joué par les défauts dans les propriétés optiques et électroniques des nanostructures d’oxyde de zinc. Pour ce faire, nous avons synthétisé des nanoparticules d’oxyde de zinc de 6 à 18 nm de diamètres pouvant être considérées comme modèle en terme de stœchiométrie, de cristallinité et de qualité de surface par une méthode physique originale : la Low Energy Cluster Beam Deposition.La caractérisation optique des défauts présents dans les nanoparticules de ZnO a été faite grâce à l’analyse des spectres d’émission visible et UV à différentes températures [10K-300K]. En particulier la luminescence excitonique à 3,31 eV, qui est un sujet controversé, a été étudiée en comparant la luminescence excitonique d’échantillons structurés à différentes échelles (nanoparticules, microcristaux et monocristal). Les temps de déclins très rapides des défauts donneurs ont été étudiés par spectroscopie à décalage de fréquence au CELIA à Bordeaux révélant une dépendance en fonction de la taille des NPs du type Giant Oscillator Strenght.Les propriétés de transport électronique des couches minces de NPs, naturellement dopées n, ont été caractérisées grâce à des expériences σ(T). Différents scénarios sont proposés pour expliquer les résultats des expériences de conductivité, et discutés en fonction des propriétés optiques des couches et de leur morphologie. En particulier, il est montré que la surface des NPs, très réactive, influence fortement le transport, ce qui laisse entrevoir la possibilité d’utiliser ces films nanostructurés comme capteurs de gaz.
Origine : Version validée par le jury (STAR)