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

Etudes à l'interface avec la matière biologique

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Nanofils et nanostructures semiconducteurs

L’axe NANOFIL et NANOSTRUCTURES SEMICONDUCTEURS vise à développer et explorer la synthèse chimique et les propriétés des nanofils de ZnO et des hétérostructures reliées les combinant avec des semiconducteurs à bande interdite directe pour un grand nombre de dispositifs nanométriques touchant principalement aux domaines de l’optoélectronique et de la piézoélectricité.

Nous cherchons à élucider et contrôler les mécanismes de nucléation et de croissance de nanofils de ZnO élaborés par dépôt en bain chimique en couplant une approche expérimentale avec une approche fondamentale basée sur des simulations thermodynamiques [5]. Ces mécanismes sont étudiés sur un grand nombre de surfaces de nucléation, allant de la couche d’amorce polycristalline de ZnO élaborée par procédé sol-gel (i.e. dip coating) [3,6] ou MOCVD au monocristal de ZnO [14] en passant par la couche d’amorce métallique. L’accent est mis de plus sur le développement de la croissance localisée de ces nanofils par des procédés technologiques en salle blanche employant des techniques de lithographie avancée (i.e. lithographie assistée par faisceau d’électrons, par nano-impression, …) [14]. Les propriétés de ces nanofils de ZnO sont également étudiées finement et optimisées avec le souci actuel de contrôler au mieux leur dopage [11,15] et les effets liés à leur polarité oxygène ou zinc par des techniques de caractérisation avancée [8,10,14].

Nous développons également la synthèse de semiconducteurs à bande interdite directe plus exotiques par dépôt en bain chimique [12], SILAR et ALD, dont leur combinaison avec les nanofils de ZnO dans des hétérostructures cœurs-coquilles [7,13] permet de créer des hétérojonctions p-n de type II à forte valeur ajoutée. Un lien fort avec David Munoz-Rojas and Jean-Luc Deschanvres de l’Equipe FunSurf est établi dans ce cadre.

Ce travail fondamental sur la synthèse et les propriétés de ces nano-objets s’appuie sur un large réseau de collaborations et possède un intérêt direct pour le domaine applicatif. Les dispositifs actuellement en cours d’étude concernent les cellules solaires à absorbeurs ultra-minces [13], les photodétecteurs UV auto-alimentés [2], les diodes électroluminescentes, les nano-générateurs piézoélectriques ou encore les capteurs de pression.

Personnel Non permanent

Thomas Cossuet (PhD)
Pierre Gaffuri (PhD)
Clément Lausecker (PhD)
Lauréline Lecarme (Post-doc)

Publications


[15] C. Verrier et al. « Effects of the pH on the Formation and Doping Mechanisms of ZnO Nanowires Using Aluminum Nitrate and Ammonia », Inorganic Chemistry 56, 13111-13122 (2017).

[14] T. Cossuet et al. « Polarity-Dependent Growth Rates of Selective Area Grown ZnO Nanorods by Chemical Bath Deposition », Langmuir 33, 6269-6279 (2017).

[13] R. Parize et al. « ZnO/TiO2/Sb2S3 Core-Shell Nanowire Heterostructures for Extremely thin absorber Solar Cells », The Journal of Physical Chemistry C 121, 9672-9680 (2017).

[12] R. Parize et al. « In Situ Analysis of the Crystallization Process of Sb2S3 Thin Films by Raman Scattering and X-ray Diffraction », Materials & Design 121, 1-10 (2017).

[11] C. Verrier et al. « Tunable Morphology and Doping of ZnO Nanowires by Chemical Bath Deposition Using Aluminum Nitrate », The Journal of Physical Chemistry C 121, 3573-3583 (2017).

[10] S. Guillemin et al. « Quantitative and Simultaneous Analysis of the Polarity of Polycrystalline ZnO Seed Layers and Related Nanowires Grown by Wet Chemical Deposition », Nanotechnology 28, 095704 (2017).

[9] R. Cusco et al. « Phase Discrimination in CdSe Structures by Means of Raman Scattering », Physica Status Solidi RRL 11, 1700006 (2017).

[8] J. Zuniga-Perez et al. « Polarity in GaN and ZnO: Theory, measurement, growth, devices », Applied Physics Reviews 3, 041303 (2016).

[7] V. Consonni et al. « Identifying and Mapping the Polytypes and Orientation Relationships in ZnO/CdSe Core-Shell Nanowire Arrays », Nanotechnology 27, 445712 (2016).

[6] S. Guillemin et al. « Identification of Extended Defect and Interface Related Luminescence Lines in Polycrystalline ZnO Thin Films Grown by Sol-Gel Process », RSC Advances 6, 44987 (2016).

[5] R. Parize et al. « Effects of Hexamethylenetetramine on the Nucleation and Radial Growth of ZnO Nanowires by Chemical Bath Deposition », The Journal of Physical Chemistry C 120, 5242-5250 (2016).

[4] S. Guillemin et al. « Spontaneous Shape Transition of Thin Films into ZnO Nanowires with High Structural and Optical Quality », Nanoscale 7, 16994-17003 (2015).

[3] S. Guillemin et al. « Controlling the Structural Properties of Single Step, Dip Coated ZnO Seed Layers for Growing Perfectly Aligned Nanowire Arrays », The Journal Physical Chemistry C 119, 21694-21703 (2015).

[2] J. Garnier et al. « Physical Properties of Annealed ZnO Nanowire/CuSCN Heterojunctions for Self-Powered UV Photodetectors », ACS Applied Materials & Interfaces 7, 5820-5829 (2015).

[1] J. Michallon et al. « Light Absorption Processes and Optimization of ZnO/CdTe Core-Shell Nanowire Arrays for Nanostructured Solar Cells », Nanotechnology 26, 075401 (2015).

Projets


ANR DOSETTE (2018-2021, coordinateur)
Type : Agence Nationale de la Recherche, appel JCJC
Titre : Hétérostructures de type II basées sur des nanofils de ZnO ordonnés pour les photodétecteurs UV auto-alimentés

ANR ROLLER (2018-2021, partenaire)
Type : Agence Nationale de la Recherche, appel PRC
Titre : Réseaux ordonnés de nanofils de ZnO résistifs et unipolaires pour capteurs souples adaptés aux milieux biologiques
Partenaires : Institut Néel (Grenoble), INL (Lyon), LGEF (Lyon)

ECOLED (2017-2019, coordinateur)
Type : Institut Carnot Energies du Futur
Titre : Nouvelle génération de LED blanche éco-efficiente : couplage LED UV ZnO – luminophores aluminoborates
Partenaire : Institut Néel (Grenoble)

Collaborations Internationales


  • Université de Swansea, Pays de Galles
  • Université de Technologie de Tallinn, Estonie
  • Université Aristote de Thessalonique, Grèce
  • Institut Jaume Almera, Espagne
  • Université de Cambridge, Angleterre

mise à jour le 5 juin 2018

  • Tutelle CNRS
  • Tutelle Grenoble INP
Univ. Grenoble Alpes