Fonctionnalisation de surfaces nano-structurées de semi-conducteurs iii-v pour la conversion d'énergie // functionalization of nanostructured iii–v semiconductor surfaces for energy conversion

Topic description

Les technologies de conversion de l'énergie photovoltaïque progressent en termes d'efficacité et de coût pour concurrencer les combustibles fossiles. Cependant, le développement des centrales solaires à grande échelle pose des défis liés au stockage et au transport de l'énergie produite. La dissociation de l'eau par l'énergie solaire, inspirée de la photosynthèse, représente une approche prometteuse pour la production d'hydrogène. Dans ces cellules photoélectrochimiques, des photoélectrodes semi-conductrices sont utilisées pour réaliser la réaction cathodique de l'hydrogène et la réaction anodique de l'oxygène à partir des deux ressources les plus abondantes : le soleil et l'eau [1]. Les semi-conducteurs III-V sont particulièrement intéressants pour cette application en raison de leurs propriétés favorables (absorption lumineuse importante, mobilité accrue des porteurs de charge et transferts de charge efficaces vers l'électrolyte). Toutefois, leur coût élevé et leur corrosion rapide en milieux électrochimiques limitent leur utilisation [2].
Le sujet proposé dans l'équipe Surface et Interfaces de l'Institut Pascal vise à exploiter l'arséniure de gallium (GaAs), le phosphure de gallium (GaP) et le nitrure de gallium (GaN) en utilisant les avantages du bombardement ionique comme outil efficace pour la nanostructuration et la fonctionnalisation de surface [3]. En effet, le bombardement par clusters d'ions est une technique efficace pour modifier les propriétés de surface des semi-conducteurs III-V. Cette méthode induit des modifications contrôlées de la surface, influençant des propriétés essentielles telles que l'énergie de bande interdite et la mobilité des porteurs de charge. Ainsi, en contrôlant précisément les paramètres d'irradiation, tels que l'énergie des ions, l'angle d'incidence, la fluence et la taille des clusters, il est possible de fabriquer des nanostructures aux dimensions et formes spécifiques, ouvrant une voie possible dans l'amélioration des performances de ces matériaux.
Dans un premier temps, l'impact du bombardement par cluster d'ions sur les surfaces semi-conductrices sera analysé, notamment en termes de structuration et de fonctionnalisation des surfaces. L'objectif principal sera d'acquérir une compréhension et un contrôle des modifications induites et/ou des nouvelles propriétés physico-chimiques (comportement électrochimique et optoélectronique, cristallographie). Pour cela, des caractérisations in situ grâce au nouveau bâti ultra haut vide SPECS récemment acquit seront menées : par spectroscopies électroniques telles que l'XPS pour l'analyse chimique des modifications de la surface et l'UPS pour étudier le changement induit dans les bandes de valence (énergie, alignement, travail de sortie), ainsi que par diffraction des électrons lents (LEED) pour étudier la cristallinité. Ces résultats seront complétés par des études ex situ de microscopie (SEM, TEM, AFM) ainsi que des mesures électriques et optiques.
Dans un second temps, les structures obtenues seront stabilisées chimiquement par traitement par plasma d'azote. En effet, ce traitement est connu pour générer une couche supérieure nitrurée électriquement transparente ayant une très bonne stabilité à l'air [4]. Ces modifications contrôlées permettront d'optimiser l'utilisation des structures électroniques développées comme photo-anodes efficaces. Des tests chimiques et/ou électro-chimiques seront menés afin de déterminer leur stabilité en solution corrosive ainsi que leurs performances.
[1] M. Grätzel Nature
[2] Mekan Piriyev Solar Energy Materials and Solar Cells
[3] Vladimir N. Popok Surface Science Reports [4] H. Mehdi Applied Surface Science / H. Mehdi Applied Surface Science energy conversion technologies are progressing in terms of efficiency and cost in order to compete with fossil fuels. However, the development of large-scale solar power plants raises challenges related to the storage and transport of the energy produced. Solar-driven water splitting, inspired by photosynthesis, represents a promising approach for hydrogen production. Indeed, in these photoelectrochemical cells, semiconductor photoelectrodes are used to carry out the cathodic reaction of hydrogen and the anodic reaction of oxygen using the two most abundant resources on earth: sunlight and water [1]. III–V semiconductors are particularly attractive for this application due to their favorable properties (strong light absorption, high charge carrier mobility, and efficient charge transfer to the electrolyte). However, their high cost and rapid corrosion in electrochemical environments limit their use [2].
The proposed research project within the Surface and Interfaces team at Institut Pascal aims to exploit gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), and gallium nitride (GaN) by leveraging the advantages of ion bombardment as an effective tool for surface nanostructuring and functionalization [3]. Ion cluster bombardment is an efficient technique for modifying the surface properties of III–V semiconductors. This method enables surface cleaning by removing contaminants and oxides while preserving the underlying crystalline structure. It can induce controlled modifications of the surface chemical composition, thereby influencing essential properties such as bandgap energy and charge carrier mobility. Moreover, ion cluster bombardment also enables the creation of self-organized nanostructures on III–V semiconductor surfaces. By precisely controlling irradiation parameters such as ion energy, angle of incidence, fluence, and cluster size, it is possible to fabricate nanostructures with specific dimensions and shapes, opening a promising route toward improving the performance of these materials.
In a first stage, the impact of ion cluster bombardment on semiconductor surfaces will be studied, particularly in terms of surface structuring and functionalization. The main objective will be to achieve an understanding and control of the induced modifications and/or new physicochemical properties (electrochemical and optoelectronic behavior, crystallography). To this end, in situ characterizations using the recently acquired SPECS ultra-high vacuum system will be carried out: electron spectroscopies such as XPS for chemical analysis of surface modifications and UPS (ARPES) to study induced changes in the valence bands (energy, alignment, work function), as well as low-energy electron diffraction (LEED) to investigate crystallinity. These results will be complemented by ex situ microscopy studies (SEM, TEM, AFM), as well as electrical and optical measurements.
In a second stage, the obtained structures will be chemically stabilized through nitrogen plasma treatment. This treatment is known to generate an electrically transparent nitrided surface layer with very good stability upon exposure to air [4]. These controlled modifications will enable optimization of the developed electronic structures for use as efficient photoanodes. Chemical and/or electrochemical tests will be carried out to assess their stability in corrosive solutions as well as their performance.
[1] M. Grätzel Nature
[2] Mekan Piriyev Solar Energy Materials and Solar Cells
[3] Vladimir N. Popok Surface Science Reports [4] H. Mehdi Applied Surface Science / H. Mehdi Applied Surface Science de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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