Soutenance de thèse de Vikas JANGID

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Micro et Nanoélectronique
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Électrochimie,Physique,Rectenna,Electronique moléculaire,SAM,Plasmonique
Keywords
Electrochemistry,Physics,Rectenna,Molecular electronics,SAM,Plasmonic
Titre de thèse
Fabrication et caractérisation d'un dispositif Rectenna basé sur des diodes moléculaires et une nano-antenne plasmonique pour convertir la lumière en électricité.
Fabrication and characterization of Rectenna device based on molecular diodes and plasmonic nano antenna to convert light into electricity
Date
Jeudi 6 Janvier 2022 à 14:00
Adresse
Bâtiment Joliot-Curie Technopôle de Château Gombert 5 rue Enrico Fermi MARSEILLE 13453 France
Amphi Jaune
Jury
Directeur de these M. Ludovic ESCOUBAS Aix Marseille Université
Rapporteur M. Guillaume WANTZ ENSCBP Bordeaux
Rapporteur M. Frédéric MAILLARD LEPMI UMR 5279 CNRS-Grenoble
Examinateur Mme Elisabeth LOJOU Bioenergetic and Protein Engineering Laboratory (Aix Marseille University, CNRS)
Examinateur Mme Yvonne SOLDO Néel Institut
CoDirecteur de these Mme Chrystelle LEBOUIN MADIREL

Résumé de la thèse

L'utilisation massive de combustibles fossiles provoque un changement climatique et un réchauffement de la planète à un rythme alarmant. Le développement de ressources énergétiques alternatives et renouvelables est un besoin urgent de l'heure. Les dispositifs photovoltaïques efficaces sont d'un grand intérêt car la quantité d'énergie reçue du soleil à la surface de la terre en deux heures est supérieure à l'énergie totale que l'humanité peut consommer en un an. Ce travail de thèse se concentre sur le développement d'une troisième génération de cellules solaires qui exploitent la nature ondulatoire de la lumière en dépassant la limite de Schockley-Queisser. Le dispositif est appelé rectenna (antenne redresseuse) qui absorbe la lumière incidente en utilisant des nanocubes d'argent comme antennes (en haut), des redresseurs moléculaires à base de ferrocène (entre les deux) pour canaliser le flux électronique et un substrat d'or ultra-lisse (en bas) pour réaliser l'assemblage Ag-SAM-Au. Des nanocubes d'argent fonctionnalisés avec des molécules de redressement à base de dithiol sont auto-assemblés en un réseau ordonné sur un film d'or. Lorsqu'elle est éclairée, une telle architecture rectenna permet le couplage d'un mode cavité plasmonique fortement confiné entre les nano-cubes d'argent et le plan d'or. Le couplage plasmonique entraîne une augmentation de l'intensité du champ électromagnétique jusqu'à quatre ordres de grandeur à l'intérieur de la cavité, exactement là où les molécules de redressement sont localisées. Le rapport de rectification est alors amélioré. Cette approche permet d'ajuster systématiquement deux paramètres critiques : (1) la forme et la taille des nanocubes métalliques anisotropes, qui contrôlent le couplage des longueurs d'onde, et (2) la distance entre les nanocubes et la surface de l'or, qui permet d'ajuster l'amélioration du champ. L'étude est principalement axée sur l'auto-assemblage de molécules de ferrocène-alcane-di-thiolate artisanales par le contrôle de l'orientation et de l'ordre avec une densité moléculaire élevée. La structure électronique et supramoléculaire des molécules est étudiée en profondeur. Avec la synthèse de nanocubes d'argent monodispersés (30-70 nm) et la fabrication d'un substrat d'or ultra-lisse avec une rugosité < 3Å, l'auto-assemblage Ag-SAM-Au est optimisé avec des caractérisations électriques et optiques pour l'application de la conversion de la lumière en électricité.

Thesis resume

Massive use of fossil fuel is causing climate change and global warming at an alarming rate. The development of alternative and renewable energy resources is an urgent need of the hour. Efficient photovoltaic devices are of high interest since the amount of energy received from the Sun at the earth surface in two hours is more than the total energy that humanity can consume in one year. This thesis work focuses on development of third generation of solar cell device which exploits the wave nature of light surpassing the Schockley-Queisser limit. The device is called rectenna (rectifying antenna) which absorb incident light using silver nanocubes as antennas (on top), ferrocene based molecular rectifiers (in between) to channel the electronic flow and ultra-smooth gold substrate (at the bottom) to make Ag-SAM-Au assembly. Silver nano-cubes functionalized with dithiol rectifying molecules are self-assembled into an ordered array onto a gold film. When illuminated, such a rectenna architecture allows the coupling of a strongly confined plasmon cavity mode between silver nano-cubes and the gold plane. The plasmonic coupling results in an electromagnetic field intensity enhancement up to four orders of magnitude within the cavity, exactly where the rectifying molecules are localized. Then the rectification ratio is enhanced. This approach enables to systematically tune two critical parameters: (1) the anisotropic metal nano-cube shape and size, controlling the wavelength coupling and (2) the distance between nano-cubes and the gold surface, which allows field enhancement to be tuned. The study is mainly focused on self-assembly of homemade ferrocene-alkane-di-thiolate molecules through control over orientation and order with high molecular density. The electronic and supramolecular structure of the molecules is extensively studied. Along with synthesis of monodispersed silver nanocubes (30-70 nm) and fabrication of ultra-smooth gold substrate with roughness < 3Å, the Ag-SAM-Au self-assembly is optimised with electrical and optical characterisations for the application of light to electricity conversion.