Développement d'un dispositif électroluminescent à couche mince fonctionnant en courant alternatif basé sur technologie à points quantiques de sulfure de zinc dopé au manganese

Development of alternate-current thin-film electroluminescent devices based on manganese-doped zinc sulfide quantum-dot technology

• Auteur / Autrice : Antonio Valerio Longo
• Direction : Souad Ammar, Nicolas Battaglini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Angela Vasanelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angela Vasanelli, Sébastien Chénais, Jean-François Hochepied, Dominique Mailly
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sébastien Chénais, Jean-François Hochepied

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électroluminescence

Points quantiques

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Points quantiques

Dispositifs émetteurs de lumière

Électroluminescence

Systèmes photo-actifs

Nanoparticles

Quantum dots

Light-emitting devices

Electroluminescence

Photoactive systems

Résumé

Ce travail de thèse concerne le développement d'un dispositif émetteur de lumière, basé sur des nanoparticules de sulfure de zinc dopées au manganèse,fonctionnant sous l'application d'une tension alternative. Notre dispositif est basé sur une configuration simple impliquant une seule couche de nanoparticules luminescentes, déposée par spin coating, placée entre deux films isolants. D’abord,nous avons étudié le système de nanoparticules d'un point de vue fondamental.Ces nanoparticules, synthétisées sans aucun tensioactif par une synthèse assistée par micro-ondes, sont caractérisées par une phosphorescence dans la région orange du spectre visible provenant du dopage au manganèse. Nous avons observé et étudié une augmentation de cette activité optique sous une exposition prolongée à la lumière UV. Notre analyse nous a permis d'attribuer ce phénomène à un effet de contrainte du réseau crystallin local autour des chromophores de manganèse dû à un processus d'oxydation de surface induit par la lumière UV.Dans une deuxième partie de notre travail, nous avons étudié les propriétés diélectriques des couches isolantes, constituées d'un film de oxyde d'hafnium déposé par Atomic Layer Deposition. En explorant plusieurs épaisseurs de couches et deux températures de dépôt, nous avons montré que la température plus basse fournit des résultats significativement plus fiables et robustes. De plus, nous avons également abordé la possibilité de déposer une couche d'alumine par une approche sol-gel en solution, mettant en évidence les principales limites de cette technique.Dans la troisième partie du manuscrit, nous décrivons les principales caractéristiques du dispositif complet. Nous avons observé la bande d'émission orange due au dopage au manganèse, ainsi que le comportement seuil typique de l'intensité de la lumière émise en fonction de la tension appliquée. En exploitant la caractérisation structurelle, les mesures de spectroscopie d'impédance et une comparaison avec des travaux théoriques sur des dispositifs similaires, nous avons pu affirmer que le mécanisme derrière l'émission de lumière observée est un processus de création de charge induite par le champ électrique dans la couche active, suivi par leur transport à travers la couche et d'un processus de recombinaison radiative à l'échelle de la nanoparticule individuelle. Par rapport aux travaux antérieurs basés sur le même type de nanoparticules, notre point clé a été l'utilisation de nanoparticules non enrobées qui ont permis d'obtenir un arrangement de nanoparticules très compact, favorisant le mécanisme physique mentionné ci-dessus. Notre travail constitue une avancée dans le développement de dispositifs électroluminescents plus compacts, industriellement réalisables et respectueux de l'environnement.

In this work we address the development of a light-emitting device, based on manganesedoped zinc sulfide nanoparticles, working under the application of an alternate-current voltage. Our device is based on a simple capacitive configuration implying a single layer of spin-cast nanoparticles sandwiched between two insulating thin films. In the first part of our work, we studied the nanoparticle system from a fundamental point of view. These nanoparticles, synthesized without the use of any surfactant by a microwave-assisted synthesis, are characterized by a phosphorescence activity in the orange region of the visible spectrum stemming from manganese dopants. In our work, we have observed and studied an enhancement of this optical activity under prolonged UV-light exposition. Our investigation allowed us to ascribe this phenomenon to a local lattice-strain effect around manganese chromophores due to a surface oxidation process induced by UV light. In a second part of our work, we focused on the dielectric properties of the insulating layers, consisting in an hafnium oxide film deposited by atomic layer deposition. By exploring several layer thicknesses and deposition temperatures, we have optimized the dielectric properties of the film, leading to more reliable and robust results. Moreover, we have also addressed the possibility of depositing an alumina layer by an in solution sol-gel approach, highlighting the main limitations of this technique. In the third part of the manuscript, the main characteristics of the complete electroluminescent device are addressed. More specifically, we recovered the orange emission band due to manganese doping, as well as the typical threshold behavior of the intensity of the emitted light as a function of the applied voltage. By exploiting structural characterization, impedance spectroscopy measurements and a careful comparison with theoretical works on similar devices, we have been able to state that the mechanism behind the observed light emission is a fieldinduced charge-creation process within the active layer only, followed by charge transport across the layer and radiative recombination within a single nanoparticle. Compared to previous works based on manganese-doped zinc sulfide nanoparticles, our key point has been the use of uncoated nanoparticles which allowed to achieve a very compact nanoparticle arrangement, favoring the physical mechanism mentioned above. Our work constitutes a step forward in the development of more compact, industrially feasible and eco-friendly light emitting devices