Modélisation de solides à nanocristaux de Silicium
Lundi 22 octobre 2012 14:00
- Duree : 1 heure
Lieu : Amphithéâtre - 3ème étage - bât. A de l’institut Néel/CNRS - 25 rue des martyrs - 38000 Grenoble
Orateur : Soutenance de thèse d'Hadrien LEPAGE (CEA-LETI)
Les propriétés physico-chimiques d’un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l’optoélectronique. Cette thèse s’inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux qui fournit, par rapport à la littérature, des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux de silicium dans une matrice de SiO2 montrent une faible mobilité des porteurs et incitent à considérer d’autres matrices. Ils montrent également l’influence des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme a permis de reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l’impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation dus au désordre en position occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent à indiquer que ces chemins concentrent les porteurs et sont le siège d’un phénomène de blocage de coulomb. Par ailleurs, la section efficace d’absorption est calculée et permet d’obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Enfin, une nouvelle méthode en microscopie à sonde de Kelvin sous éclairement a permis de caractériser la durée de vie des porteurs, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d’autres méthodes de la littérature.
The physicochemical properties of a spherical semiconductor nanocrystal, intermediate between the molecule and the solid, depend on its size. Stacked or dispersed, these nanocrystals are building blocks of new functional materials with tunable properties, particularly appealing for optoelectronics. This thesis contributes to the development of these new materials. It mainly presents a methodology for the simulation of electronic transport in nanocrystal solids which provides, compared to previous works, results (mobility or current) in absolute terms. The results obtained for silicon nanocrystals embedded in silicon oxide show the low carrier mobility and encourage to consider other materials. Furthermore, the device simulations show the significant impact of the electrodes on the current-voltage characteristics. Also, a new algorithm has allowed to reproduce the disorder inherent in the manufacturing process while maintaining a reasonable simulation time. Thus, the impact of size disorder turns out to be poor at room temperature while the percolation paths, due to position disorder, shunt the contribution of other conduction paths. Characterization results compared to simulations tend to show that these paths concentrate carriers and exhibit Coulomb blockade phenomenon. Finally, the absorption cross section is calculated to obtain the generation rate under illumination which is similar to the bulk silicon one. And a method employing a Kelvin probe microscope enables to characterize the carrier lifetime. The results thus obtained are consistent with other experimental technics.
Contact : gilles.lecarval@cea.fr
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