Élaboration et caractérisations des nanostructures à base de MoS2, et leurs applications dans le captage de l’énergie solaire et la photocatalyse

Elaboration and characterization of MoS2-based nanostructures, and their applications in solar energy harvesting and photocatalysis

• Auteur / Autrice : Driss Mouloua
• Direction : Mustapha Jouiad, Moulay Ali El Khakani, Mimoun El Marssi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : Amiens en cotutelle avec Institut national de la recherche scientifique (Québec, province)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Amiens ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : François Piquemal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Dahlem, Sébastien Saitzek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Wallart, Dominique Mangelinck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de photons

Photocatalyse

Dépôt par laser pulsé

Dépôt chimique en phase vapeur

Nanoparticules

Bisulfure de molybdène

Mots clés libres

Caractérisation

Matériaux pour l'énergie

Plasmonique

Elaboration

Nanomatériaux

Characterization

Energy materials

Plasmonics

Processing

Nanomaterials

Résumé

Au cours de la dernière décennie, les matériaux bidimensionnels tels que le disulfure de molybdène (2D-MoS2) ont clairement démontré un réel potentiel pour les dispositifs photoniques et optoélectroniques futurs en raison de leurs excellentes propriétés électriques et optiques.Suite à l'essor de cette classe de matériaux, le présent travail de thèse vise à étudier les effets de deux approches de synthèse, à savoir le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt par ablation laser pulsé (PLD), sur les propriétés optoélectroniques des nanostructures de MoS2. Nous démontrons que le processus CVD est le plus approprié pour produire une variété de morphologies de MoS2 incluant des microplaques de 1-30 µm de taille jusqu'à des nanofils hautement cristallins de ~100 nm de diamètre en contrôlant la position du substrat dans l'enceinte CVD. Par ailleurs, la position du substrat s'est avérée un paramètre important pour l'ingénierie de la bande interdite du MoS2, ce qui a conduit à une amélioration tangible de la photoréponse de ~ 20000 % et une détectivité de 2.6 109 Jones tout en réduisant le temps de réponse des photodétecteurs développés à base de nanostructures de MoS2. Sur la base de ces résultats, la CVD a été ajustée pour fabriquer une hétérostructure de microfibres/microfleurs de MoS2/MoO2 qui a été intégrée dans un dispositif de photodétection. Le dispositif a montré une photoréponse intéressante à large bande attribuée aux effets synergiques du MoS2 et du MoO2.D'autre part, le processus PLD a permis la fabrication de films de MoS2 sur de grande surface, avec un degré de cristallinité élevée et un contrôle de l'épaisseur. Nos résultats soulignent le rôle critique joué par la température de dépôt sur le contrôle de l'orientation des couches de MoS2. Le dispositif photoconducteur basé sur ces films a présenté une relation constante plus linéaire avec le degré d'alignement vertical des structures de MoS2, atteignant une photoréponse et une détectivité de 1500% et 9,2 x 109 Jones, respectivement.Les très bonnes performances de photodétection obtenues sont attribuées au très faible courant d'obscurité obtenu dans les nanostructures de MoS2 CVD et au rendement élevé du photocourant pour les échantillons PLD.Profitant de la très bonne photoconversion de ces nanostructures de MoS2, une structure hybride 1T-MoS2/2H-MoS2 a été développée en utilisant la fabrication CVD en une étape, utilisée par la suite pour les tests de photodégradation du bleu de méthylène. Cette hétérostructure hybride a montré une efficacité de photodégradation de plus de 80% du bleu de méthylène à une constante de photodégradation très élevée obtenues sous les excitations UV et visibles.Cette thèse propose différents scénarios pour permettre et promouvoir les capacités du MoS2 dans le captage de lumière à large bande tout en réalisant une photoconversion élevée en termes de porteurs de charge qui peuvent être exploités dans deux applications majeures telles que la photodétection et la photodégradation

In the last decade, two-dimensional materials such as molybdenum disulfide (2D-MoS2) have clearly proven a real potential for the next generation of photonic and optoelectronic devices owing to their excellent electrical and optical properties.Following the surge of this class of materials, the current thesis work aims at investigating the effects of two synthesis approaches namely chemical vapor deposition (CVD) and pulsed laser deposition (PLD) on the optoelectronic properties of MoS2 nanostructures. We demonstrate that the CVD process is most appropriate to yield a variety of MoS2 morphologies including microplates 1-30 µm in size to highly crystalline nanowires of ~100 nm in diameter by monitoring the CVD process through the control of the substrate position. Moreover, the control of the substrate position is found to be beneficial in engineering the MoS2 band gap leading to tangible enhancement of the photoresponse of ~ 20000 % and a detectivity of 2.6 109 Jones while reducing the response time of the developed photodetectors based MoS2 nanostructures. Based on these findings, the CVD was further tuned to fabricate MoS2/MoO2 microfiber/microflower heterostructure that was integrated into photodetection device. The device has shown an interesting broadband photoresponse ascribed to the synergic effects of both MoS2 and MoO2.On the other hand, the PLD process has allowed the fabrication of large scale MoS2 films, with high crystallinity and thickness control. Our finding emphasizes the critical role played by the deposition temperature in controlling the orientation of MoS2 layers. The photoconductive device based on these films has exhibited a constant-plus-linear relationship with the degree of vertical alignment of the MoS2 structures, achieving a photoresponse and a detectivity of 1500% and 9.2 x 109 Jones, respectively.The very good photodetection performances obtained are attributed to the very low dark current obtained in CVD MoS2 nanostructures and to the high photocurrent yield for the PLD samples.Taking benefit of the very good photoconversion of MoS2 nanostructures, a hybrid 1T-MoS2/2H-MoS2 heterostructure was developed using one step CVD fabrication, used for methylene blue photodegradation. This hybrid heterostructure has shown more than 80% photodegradation of methylene blue at a high rate constant in both UV and visible excitations.The thesis provides various scenarios to enable and promote the MoS2 capabilities in broadband light harvesting while achieving high photoconversion in terms of valuable charge carriers that can be exploited in two major applications such as photodetection and photodegradation