Synthèse assistée par faisceau d'ions d'agrégats dans les verres (argent et chalcogénures de plomb

Ion beam assisted synthesis of nanocrystals in glasses (silver and lead chalcogenides)

• Auteur / Autrice : Roch Espiau de Lamaëstre
• Direction : Harry Bernas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des solides
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Irradiation ionique

Nanocristaux

Résumé

Ce travail présente une étude de l'intérêt des faisceaux d'ions pour contrôler la croissance d'agrégats dans les verres. Nous présentons deux manières différentes d'atteindre cet objectif en insistant sur l'importance des phénomènes d'oxydoréduction induits par le passage et l'implantation d'ions dans un verre. Nous montrons que l'on peut utiliser la grande densité d'énergie déposée par des ions pour induire des conditions réductrices favorables à la précipitation d'agrégats métalliques. En particulier, les mécanismes microscopiques de précipitation d'agrégats de Ag sont analogues à ceux de la photographie classique. On peut aussi se servir des faisceaux d'ions pour dépasser la sursaturation d'un élément dans une matrice donnée. Dans ce travail, nous avons étudié la croissance d'agrégats de chalcogènures de plomb (PbS, PbSe, PbTe), dont les propriétés optiques sont intéressantes pour les télécommunications. Nous mettons en évidence les effets de la chimie redox complexe des chalcogènes, et leur lien avec la perte de contrôle de la croissance d'agrégats synthétisés après implantation séquentielle de Pb et S. Grâce à cette compréhension, nous démontrons une nouvelle synthèse plus contrôlée d'agrégats de PbS, consistant, avant recuit, à implanter du soufre dans des verres au Pb. Le choix de la composition du verre permet de mieux contrôler la physico-chimie de la croissance, et l'utilisation de l'implantation pour introduire le S permet d'atteindre des fractions volumiques importantes. L'étude des propriétés d'émission de ces agrégats dans l'IR montre (i) une section efficace d'excitation très importante (ii) l'existence d'un niveau d'exciton noir.

This work deals with the interest in ion beams for controlling nanocrystals synthesis in glasses. We show two different ways to reach this aim, insisting on importance of redox phenomena induced by the penetration and implantation of ions in glasses. We first show that we can use the great energy density deposited by the ions to tailor reducing conditions, favorable to metallic nanocrystal precipitation. In particular, we show that microscopic mechanism of radiation induced silver precipitation in glasses are analogous to the ones of classical photography. Ion beamscan also be used to overcome supersaturation of elements in a given matrix. In this work, we synthesized lead chalcogenide nanocrystals (PbS, PbSe, PbTe) whose optical properties are interesting for telecom applications. We demonstrate the influence of complex chalcogenide chemistry in oxide glasses, and its relationship with the observed loss of growth control when nanocrystals are synthesized by sequential implantation of Pb and S in pure silica. As a consequence of this understanding, we demonstrate a novel and controlled synthesis of PbS nanocrystals, consisting in implanting sulfur into a Pb-containing glass, before annealing. Choice of glass composition provides a better control of precipitation physico-chemistry, whereas use of implantation allows high nanocrystal volume fractions to be reached. Our study of IR emission properties of these nanocrystals shows a very high excitation cross section, and evidence for a dark exciton emitting level.