en fr Indium phosphide and zinc phosphide luminescent nanocrystals : synthesis, coating and characterization Nanocristaux luminescents de phosphures dindium et de zinc: synthèse, enrobage et caractérisation Report as inadecuate




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1 LPCNO - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets

Abstract : This PhD investigation focuses on organometallic synthesis of indium phosphide InP, zinc phosphide Zn3P2 colloidal semiconductor nanoparticles NPs and core-shell structures which were obtained by the growth of a layer of zinc sulfide ZnS on the surface. The objectives are to understand and control the synthesis in order to shift the absorption and emission wavelengths to the near infra-red range, interesting for biomedical imaging. The first chapter presents the state of the art on the InP and InP-ZnS nanocrystals NCx. A brief recall on the physical and chemical properties of semiconductor NCx is presented and various syntheses are described. Particular attention was paid to the size of NCx, the shift of the fluorescence emission to higher wavelengths and the optimization of quantum yields. The potential of these objects for white light emitting diodes LED or biomedical imaging shows the value added of using InP-ZnS NCx rather than other materials based on toxic elements such as cadmium, lead elements

. The second chapter focuses on a synthesis from indium carboxylates known in the literature. The goal is to characterize the structure of NPs to understand the procedure of the synthesis and the coating. Measurements by Nuclear Magnetic Resonance NMR in solid state and Photoelectronic X-ray spectroscopy XPS revealed the oxidation of InP of the NPs. This oxide layer increases during the coating. This originates from a decarboxylating coupling of carboxylic acids at high temperature in the presence of NPs. This oxidation is believed to inhibit the growth of the object, which restricts the attainable range of wavelengths. The third chapter provides a novel synthesis from indium amidinate instead of indium carboxylate. The advantage of this approach is the potential to lower significantly the reaction temperature 150°C instead of 280°C and to avoid secondary decarboxylation reaction. A coating with ZnS at low temperature 150°C is also developed. The synthesis of InP NPs also causes an oxidation of the surface. A coupling takes place again between the ligands, palmitic acid and hexadecylamine providing new oxidizing conditions. The study of different ratios of ligands shows that when the reaction medium is modified, the InP NPs do not exhibit a conclusive luminescence response. Synthesis and coating are carried out under an atmosphere of hydrogen H2 in Fisher-Porter reactor in order to counter these oxidizing conditions. NPs with diameters of the order of 3,4 nm a necessary condition to approach the infra-red emission and a quantum yield of 18-20% are thus obtained. These had never been observed before during this thesis. The last chapter is devoted to an exploratory study on Zn3P2 NPs. Zinc phosphide is a promising material because of non-toxic and abundant constituents, and potential access to near infra-red wavelengths. Different synthesis parameters are studied and the structural and optical properties are characterized. Preliminary results on the coating show instabilities of the Zn3P2 NPs. The use of trioctylphoshine oxide TOPO appears to allow the passivation of the NPs in the air and a better stability is possible under an atmosphere of H2.

Résumé : Ce travail de thèse porte sur la synthèse organo-métallique de nanoparticules NPs semi-conductrices colloïdales de phosphures d-indium InP, de zinc Zn3P2 et de structures cœur-coquille obtenues par la croissance d-une couche de sulfure de zinc ZnS à la surface des NPs. Les objectifs consistent à comprendre et maîtriser la synthèse dans le but de décaler les longueurs d-onde d-absorption et d-émission vers le proche infra-rouge, domaine spectral intéressant pour l-imagerie biomédicale. Le premier chapitre présente l-état de l-art sur les nanocristaux NCx d-InP et d-InP-ZnS. Un bref rappel sur les propriétés physico-chimiques des NCx semi-conducteurs est présenté et différentes synthèses sont décrites. Une attention toute particulière a été portée sur la taille des NCx, le décalage de l-émission de fluorescence vers les plus grandes longueurs d-onde et l-optimisation des rendements quantiques. Les potentialités offertes par ces objets soit pour les diodes électroluminescentes LED blanches soit pour l-imagerie biomédicale montrent l-intérêt d-utiliser les NCx de type InP-ZnS plutôt que d-autres matériaux à base d-éléments toxiques Cd, Pb,



Le deuxième chapitre porte sur une synthèse à partir des carboxylates d-indium connue de la littérature. Le but est alors de caractériser la structure des NPs pour comprendre le déroulement de la synthèse et de l-enrobage. Des mesures par résonance magnétique nucléaire RMN en phase solide et spectroscopie photo-électronique par rayons X XPS révèlent l-oxydation des NPs d-InP. La couche d-oxyde qui se forme durant la synthèse des NPs d-InP s-épaissit lors de l-enrobage. Cette oxydation provient d-un couplage décarboxylant des acides carboxyliques à haute température en présence des NPs. Elle serait à l-origine de l-inhibition de croissance des objets, ce qui limiterait les gammes de longueurs d-onde atteignables. Le troisième chapitre concerne une nouvelle synthèse à partir d-amidinate d-indium au lieu des carboxylates d-indium. L-intérêt de cette approche est la possibilité d-abaisser considérablement la température de réaction 150°C au lieu de 280°C et ainsi d-éviter la réaction secondaire de décarboxylation. Un enrobage à basse température 150°C est aussi mis en place. La synthèse induit également une oxydation de la surface des NPs d-InP. Un nouveau couplage a lieu entre les ligands, l-acide palmitique et l-hexadécylamine, et donne de nouvelles conditions oxydantes. Le jeu sur les ratios des ligands montre qu-en bouleversant le milieu réactionnel, les NPs d-InP ne présentent pas de réponse en luminescence concluante. La synthèse et l-enrobage sont alors réalisés sous atmosphère de dihydrogène H2 en réacteur Fisher-Porter dans le but de contrer ces conditions oxydantes. La synthèse et l-enrobage donnent des tailles de NPs de l-ordre de 3,4 nm condition nécessaire pour s-approcher d-une émission dans l-infra-rouge et un rendement quantique de 18-20 %, résultats encore jamais atteints lors de cette thèse. Le dernier chapitre est consacré à une étude exploratoire sur les NPs de Zn3P2. Le phosphure de zinc est un matériau prometteur du fait de l-abondance de ses constituants non toxiques et des longueurs d-onde potentiellement accessibles. Différents paramètres de synthèse sont étudiés et les propriétés structurales et optiques sont caractérisées. Des résultats préliminaires sur l-enrobage montrent des difficultés liées à la stabilité des NPs de Zn3P2. L-utilisation de l-oxyde de trioctylphosphine TOPO semble permettre la passivation de ces NPs à l-air et en travaillant sous H2 une meilleure stabilité est envisageable.

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Keywords : Quantum Dots indium phosphide zinc phosphide organometallic synthesis NMR

Mots-clés : Nanoparticules semi-conductrices phosphure d-indium phosphure de zinc InP InP-ZnS Zn3P2 synthèse organométallique RMN XPS





Author: Héloïse Virieux -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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