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Synthèse et propriétés de monocristaux, de poudres, films minces ou hétérostructures

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Soutenance de thèse de Daniel Langley : Silver Nanowire Networks: effects of percolation and thermal annealing on physical properties

Publié le 18 septembre 2014
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Soutenance 28 octobre 2014
At 2:00pm - Amphi M001, Grenoble INP - Phelma MINATEC
LMGP (UMR 5628 CNRS / Grenoble INP)
Grenoble INP Phelma Minatec
3 parvis Louis Néel - 38000 Grenoble

Access : TRAM B - Stop at "Cité internationale"
Free entrance - No registration

Keywords : Nanotechnology, Solar cells, electrodes, Transparent Conductive Materials, percolation

LANGLEY Dan-h128.jpg

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Thèse de Daniel Langley

Réseaux de Nanofils de Argent: effets de percolation et recuit thermique sur les propriétés physiques / Silver Nanowire Networks: effects of percolation and thermal annealing on physical properties.

Thesis directed by Daniel Bellet (LMGP / FM2N team) & Prof. Ngoc Duy NGUYEN, Lab. SPIN, University of Liège (Belgium)


Résumé (Click here for abstract in english
)

L'utilisation de matériaux conducteurs transparents (TCM) a rapidement augmenté au cours des deux dernières décennies en raison de la demande croissante liée à l’usage d’appareils électroniques personnels ainsi qu’au développement de cellules solaires à base de couches minces. Jusqu'à présent, le TCM le plus couramment utilisé a été l'oxyde d'indium et d’étain (ITO), mais l’indium est une terre rare dont l’environnement géopolitique lié à son approvisionnement et à sa production est complexe. En outre, la famille des oxydes transparents conducteurs possèdent de médiocres propriétés mécaniques (associées à une fragilité mécanique) et exige souvent, pour leur dépôt, soit une synthèse à haute température (> 400 ° C) soit des procédés sous vide. Pour ces raisons, la recherche au cours des dernières années a mis l'accent sur la découverte ou l’élaboration de TCM alternatifs afin de remplacer l'ITO.
Cette thèse est abordée sur une approche double combinant simulations numériques et expériences pour explorer le dépôt et l'optimisation de réseaux de nanofils d'argent pour une utilisation comme électrode transparente d’une part, et d'améliorer la compréhension de leurs propriétés physiques d’autre part. Le volet ‘simulation’ concerne la modélisation de la percolation de réseaux de nanofils 2D tandis que le volet expérimental explore les propriétés électriques et optiques des réseaux de nanofils d'argent, notamment le comportement de la résistance électrique lors de recuits thermiques. Nous présentons dans ce travail la modélisation 2D de la percolation de systèmes initialement composés de bâtonnets parfaits au sein d’un réseau idéal, puis l’étude de l'influence de paramètres tels que la distribution en longueur des bâtonnets, leur distribution angulaire ou la forme de ces bâtonnets (courbure). Nous nous sommes aussi intéressés à la divergence de la densité critique nécessaire pour observer la percolation au sein de systèmes de petite taille (vis-à-vis de la longueur des bâtonnets). Par ailleurs un travail préliminaire sur la simulation de l'efficacité de collecte (ou d’injection) de charges par un réseau de nanofils est présenté.
Le volet expérimental fournit une analyse de l'influence de la longueur des fils, de leur diamètre, de la densité du réseau et enfin de la méthode de dépôt sur les propriétés optiques et électriques des réseaux de nanofils d'argent. Une étude approfondie de l'effet de recuit thermique sur les propriétés des réseaux a été réalisée, ce qui a révélé plusieurs mécanismes qui sont à l’origine de la diminution initiale de la résistance électrique à relativement basse température puis de la divergence de la résistance électrique observée à haute température. Une observation originale a permis de révéler un phénomène de percolation géométrique quantifiée pour les réseaux peu denses, qui a été associé à la présence de chemins efficaces de percolation indépendants. Ce travail permet de conclure que les réseaux de nanofils d'argent constituent une solution intéressante pour une utilisation en tant qu’électrode transparente en remplacement de l’ITO, notamment en raison de leurs propriétés mécaniques supérieures ainsi que de leurs propriétés électro-optiques comparables voire supérieures.

Abstract
The use of transparent conductive materials (TCMs) has rapidly increased in the last two decades as a result of the increasing demand for personal electronic devices and the development of thin film based solar cells. To date, the most commonly used TCM is indium tin oxide (ITO). However indium is a rare earth metal with a complex geopolitical environment surrounding its supply and production. Furthermore, the oxide family suffers from poor mechanical properties such as brittleness and generally requires either high temperature synthesis (>400°C) or vacuum processes for their deposition. For these reasons, research in recent years has focused on the discovery or the design of a TCM to replace ITO.
This thesis applies a dual approach combining simulations and experiments to explore the fabrication and optimisation of silver nanowire networks for use as a TCM and to improve the understanding of their physical properties. The simulation contribution focuses on the application of percolation modelling to 2D nanowire networks while the experimental part explores the electrical and optical properties of silver nanowire networks and their electrical behaviour under thermal annealing. We present in this work the modelling of 2D stick percolation systems initially composed of perfect idealised sticks, and then, investigate the influence of parameters such as length distributions, angular distributions or shape (curved nanowires). We address the divergence of the critical density for the onset of percolation observed for small system sizes and introduce some preliminary work on simulating the collection (or injection) efficiency of charges by a nanowire network.
The experimental component provides a discussion of the impact of wire length, wire diameter, network density and fabrication technique on the optical and electrical properties of silver nanowire networks. An in-depth study of the effect of thermal annealing on the networks properties was undertaken, which revealed several mechanisms responsible for the initial reduction of resistance and the observed final loss of conductivity. An original observation enables the revelation of geometrical quantized percolation for rather sparse networks. Finally we conclude that silver nanowire networks are an excellent prospect as a TCM to replace ITO: these materials have superior mechanical properties and enable comparable and even superior electro-optical properties.


Jury members
Prof. J. COURBON, INSA- MATEIS Lyon, President
Dr. C. HENRIST, LCIS-GREENMAT, Université de Liège, Rapporteur
Dr. V. LYSENKO, INL, CNRS-INSA Lyon, Rapporteur
Dr. J.-Y. RATY, FRS-FNRS, Lab. SPIN, Univ. Liège, Examiner
Dr. J.-P. SIMONATO, CEA-Liten,Grenoble, Examiner
Dr. M. TREGUER-DELAPIERRE, ICMCB-CNRS, Univ. Bordeaux, Examiner
Prof. D. BELLET, LMGP, Grenoble INP, Thesis director
Prof. Ngoc Duy NGUYEN, Lab SPIN, Univ. Liège, Thesis director

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mise à jour le 6 avril 2015

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