Plasmonic Cu nanoparticles inclusion in ZnO and Cu2O matrices for enhanced photoconversion of all-oxide optoelectronics - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Plasmonic Cu nanoparticles inclusion in ZnO and Cu2O matrices for enhanced photoconversion of all-oxide optoelectronics

Inclusion de nanoparticules de Cu plasmoniques dans des matrices de ZnO et de Cu2O pour améliorer la photoconversion de l'optoélectronique tous oxydes

Résumé

In this work we present the results on in-situ growth of plasmonic copper (Cu) nanoparticles (NPs) into a p-Cu2O matrix by using reactive magnetron sputtering of a Cu target and adjusting the oxygen flowrate. It was possible to observe, for oxygen-poor conditions, the formation of CuNPs-Cu2O composites presenting the signature of the localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomenon. Devices based on the studied nanocomposites interfaced with zinc oxide (ZnO) were characterized by J-V and spectral photocurrent measurements, showing a photocurrent density increase under optical illumination as a result of the plasmonic particles incorporation and consequent hot carriers injection. In the second part of the manuscript, the results about the rapid thermal annealing (RTA) of the CuNPs-Cu2O composites under oxygen-poor conditions and their properties evolution when temperature increases are presented. At temperature higher than 150 ºC it was possible to see a copper segregation towards the surface, increase in the crystal preferential orientation of Cu2O and improvement of the LSPR signal. Electrical response of devices constituted by the composite layers interfaced with ZnO and annealed at 200 ºC showed a further increase in the photocurrent resulting from the LSPR of Cu NPs at the devices surface. Finally, the synthesis of Cu nanoparticles through a gas aggregation source (GAS) and the subsequent fabrication of ZnO-CuNPs multilayer structure with plasmonic response were studied. The resulted composite revealed LSPR response and the presence of Cu particles acting as nucleation points for highly oriented ZnO conical grains.
Dans ce travail, nous présentons dans une première partie les résultats de la croissance in situ de nanoparticules (NPs) plasmoniques de cuivre (Cu) dans une matrice de p-Cu2O en utilisant la pulvérisation cathodique magnétron réactive d'une cible de Cu et en ajustant le débit d'oxygène. Il a été possible d'observer, dans des conditions pauvres en oxygène, la formation de films composites CuNPs-Cu2O présentant la signature du phénomène de résonance plasmon de surface localisée (LSPR). Les dispositifs basés sur les nanocomposites étudiés interfacés avec de l'oxyde de zinc (ZnO) ont été caractérisés par des mesures J-V et des mesures spectrales de photocourant, montrant une augmentation de la densité de photocourant sous illumination optique comme conséquence de l'incorporation des particules plasmoniques et de l'injection conséquente de porteurs chauds. La deuxième partie du manuscrit présente les résultats du recuit thermique rapide (RTA) des films composites CuNPs-Cu2O dans des conditions pauvres en oxygène et l'évolution de leurs propriétés lorsque la température augmente. Après un recuit à une température de recuit supérieure à 150 ºC, il a été possible de constater une ségrégation du cuivre vers la surface, une augmentation de l'orientation cristalline préférentielle du Cu2O et une amélioration du signal LSPR. La réponse électrique des dispositifs constitués des composites interfacés avec ZnO puis recuits à 200 ºC a montré une augmentation supplémentaire du photocourant en raison de la LSPR des nanoparticules de Cu à la surface des dispositifs. Enfin, la synthèse de nanoparticules de Cu par une source d'agrégation de gaz (GAS) et la fabrication ultérieure de structures multicouches ZnO-CuNPs avec une réponse plasmonique ont été étudiées. Le composite obtenu a révélé une réponse LSPR et la présence de particules de Cu agissant comme points de nucléation pour des grains coniques de ZnO hautement orientés.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-04537047 , version 1 (08-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04537047 , version 1

Citer

Yerila Rodríguez-Martínez. Plasmonic Cu nanoparticles inclusion in ZnO and Cu2O matrices for enhanced photoconversion of all-oxide optoelectronics. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine; Universidad de La Habana (Cuba), 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0208⟩. ⟨tel-04537047⟩
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