Corrélation entre les propriétés structurelles et optoélectroniques de couches ultra-minces de TiO2 en vue d’application de photocatalyse

Correlation between the structural and optical properties of ultra-thin layers of TiO2 for photocatalysis applications

• Auteur / Autrice : Adrien Girault
• Direction : Pierre Gilliot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 14/03/2024
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Keller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Lazzari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mireille Richard-Plouet, Pierre Renucci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés électroniques

Couches minces

Photocatalyse

Oxyde de titane

Mots clés libres

TiO2

Anatase

Polarons

Excitons

Conductivité

Photoluminescence

Photoluminescence résolue en temps

Expériences « pompe-sonde »

TiO2

Anatase

Polarons

Excitons

Conductivity

Photoluminescence

Time-resolved photoluminescence

"pump-probe" experiment

Résumé

Un système de couche mince de TiO2 anatase, base d’un produit industriel de Saint-Gobain, a été étudié par différente méthodes pour mieux comprendre les propriétés de photocatalyse permettant la dégradation des polluants en surface par les porteurs de charge photocréés. Une forte corrélation entre la structure de l’échantillon et la conductivité locale a été observée montrant l’efficacité de la technique pour comprendre l’influence du dépôt sur la structure cristalline et le transport des porteurs. L’étude de la photoluminescence par excitation continue puis de la dynamique de recombinaison des porteurs après une excitation femtoseconde a permis de préciser la nature des porteurs et des processus gouvernant les recombinaisons: les porteurs sont à basse température des excitons autopiégés qui s’ionisent à plus haute température sous la forme de polarons. Ces porteurs recombinent très majoritairement par un mécanisme non-radiatif de collisions qui perdure même lorsque la densité de porteurs devient faible. Ce mécanisme domine la recombinaison et participe à la fois à la perte d’une partie de la population et au piégeage en surface indispensable pour obtenir des réactions d’oxido-réduction en surface.

In this study, a system using a thin layer of TiO2 anatase, base of an industrial product of Saint-Gobain, has been studied by various methods to get a better understanding of the photocatalytic properties coming from the degradation of pollutants by surface trapped charge photocarriers. A strong correlation has been observed between the sample structure and the local conductivity demonstrating the efficiency of this method to understand the influence of the deposition parameters on the cristalline structure and the charge carrier transport. Photoluminescence and recombination dynamic studies have been performed on the TiO2 anatase using continuous wave excitation and femtosecond excitation to figure out the carriers nature and the processes governing their recombination. At low temperature, charge carriers are self-trapped exciton that get ionized into polarons with increasing temperatures. These carriers mostly recombine by a non-radiative collision mecanism that is still present at low carrier density. This mecanism dominates the recombination. It gives rise to the origin of the loss of carriers but also to the surface trapping of a part of the carriers essential to realize surface oxido-reduction reactions.