Méthodes de synthèse à haute-pression pour des nouveaux matériaux à base de Si avec propriétés optoélectroniques remarquables et leur caractérisation

High-pressure pathways towards new functional Si-based materials with tailored optoelectronic properties and their characterization

• Auteur / Autrice : Silvia Pandolfi
• Direction : Yann Le Godec, Oleksandr O. Kurakevych
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Chrystèle Sanloup
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Roy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Romain Viennois, Fernando Rodríguez González

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Conversion photovoltaïque

Transitions de phases

Effets des hautes pressions

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Synthèse haute-pression

Multi-enclume

Photovoltaïque

Diffraction rayons X

Microscopie électronique

Silicon

High-pressure synthesis

Photovoltaics

XRD

Hexagonal Si

Résumé

Dans cet ouvrage, le traitement à haute température et haute pression est utilisé pour développer et optimiser la synthèse de nouvelles formes exotiques du silicium. La synthèse de nouvelles phases de silicium est un point clé dans le développement de technologies à base de Si, en particulier l'énergie solaire. Le développement de nouveaux matériaux à base de silicium à haut rendement pourrait faire face à la fois à l'optimisation des performances et à la réduction des coûts. Au niveau industriel, la haute pression a été principalement utilisée pour la synthèse des diamants et des matériaux super-durs, mais des études récentes ont prouvé qu’elle est également efficace pour la synthèse de nouveaux matériaux à base de silicium à propriétés remarquables pour les applications. Nous abordons ce défi sous tous ses aspects, à partir de l'étude des mécanismes de transition à haute pression jusqu’à la synthèse et à la caractérisation d'un nouveau matériau de silicium. Nous utilisons la diffraction in situ de rayons X à haute-pression haute-température pour observer et caractériser des transitions de phase du silicium et leur dynamique. Grâce à nos résultats, nous donnons de nouvelles perspectives capables de clarifier certains aspects du diagramme de phase du silicium qui étaient encore en discussion. Nous obtenons la première synthèse de silicium hexagonal pur, un défi de longue date dans le domaine. Grâce à notre échantillon de phase pure, nous caractérisons ses propriétés physiques et structurales. Nous prouvons que le silicium hexagonal obtenu à partir du traitement haute pression est sous forme du polytype 4H (séquence d'empilement ABCB). D'autres caractérisations structurelles révèlent une nanostructure hiérarchique dans la morphologie de l'échantillon. La découverte et la caractérisation de nanoparticules quasi-2D accessibles à la manipulation ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques.

In this work, high-pressure high-temperature treatment is used to develop and optimize synthetic pathways to new and exotic forms of silicon. The synthesis of new phases of silicon is a key point in the future development of Si-based technology, especially for solar energy. Development of new Si-based materials with high-efficiency could both optimise the performances and reduce the costs. At an industrial level, high-pressure has been mainly used for the synthesis of diamonds and super-hard materials, but recent studies have proven it also efficient in the synthesis of new silicon-based materials with enhanced properties for applications. We tackle this challenge in all its aspects, starting from the study of transition mechanisms at high-pressure and arriving to the synthesis and characterization of a new silicon material. We use in-situ x-ray diffraction at high-pressure high-temperature conditions to monitor and characterize silicon phase transitions and their dynamics. Our results give new insights that clarify some aspects of the silicon phase diagram that were still a matter of debate. We obtain the first synthesis of pure hexagonal silicon, a longstanding challenge in the field. Thanks to our pure-phase sample, we characterize its physical and structural properties. We prove that hexagonal silicon obtained from high-pressure is in the form of 4H polytype (ABCB stacking sequence). Further structural characterizations reveal a hierarchical nanostructure in the pristine morphology of the sample. Discovery and characterization of discrete quasi-2D nanoparticles accessible for manipulation opens new perspectives for the design of new optoelectronic devices.