Synthèse de nanocristaux fluorescents de semi-conducteurs II-VI et III-V. Augmentation de l'échelle de synthèse

This work deals with the development of the synthesis of different types of II-VI and III-V fluorescent semiconductor nanocrystals (NCs), with the goal of the upscale of the production. The main interests of these NCs for many applications (biological labelling, light-emitting devices, ...) are the possibility of adjusting their colour of emission with their size, their high fluorescence quantum yield and their stability. We first studied the most known system, CdSe, then other II-VI semiconductors (CdS, Cd1-xZnxSe) and a III-V compound (InP). The chosen system is based on the method of rapid injection of the precursors in an organic solvent at high temperature. With the aim of the up-scale of the synthesis, precursors and solvents were selected in order to be cheap, commercially available and easy to handle (air-stability, toxicity). We carried out a design of experiments to determine the influence of the different factors (concentration, nature of the ligand, temperature, ...) on the size and size dispersion of the NCs with a minimum of experiments. For the upscale, equipment which permits an automatic injection of the precursors in a 2 litres reactor has been developed. The synthesis of CdSe NCs with a 20 up-scale factor is possible in this equipment. By this way we obtained batches of several grams of three distinct sizes of monodisperse NCs. In order to improve the fluorescence quantum yield and the stability of the NCs, we added a shell of a wider bang gap semiconductor on their surface. To avoid the use of pyrophoric reagents for the shell growth, we developed new precursors for CdS and ZnS shells: zinc ethylxanthate and cadmium ethylxanthate. These monomolecular precursors are air-stable, easy to synthesize, cheap and decompose at adapted temperatures for the shell growth. The obtained NCs with cores of CdSe, CdS, Cd1-xZnxSe and InP had fluorescence quantum yields between 40 and 70 %. A mixture in precise proportions of blue, green and red-emitting NCs lead to stable white light generation.Ce travail de thèse concerne le développement de la synthèse de différents types de nanocristaux (NCs) fluorescents de semi-conducteurs II-VI et III-V en vue de leur production à plus grande échelle. Les principaux intérêts de ces NCs pour de nombreuses applications (marquage biologique, diodes électroluminescentes, etc.) sont la possibilité d'ajuster leur couleur d'émission avec leur taille, leur rendement quantique de fluorescence élevé et leur stabilité. Nos études ont d'abord porté sur le système le plus connu, le CdSe, puis sur d'autres semi-conducteurs II-VI (CdS, Cd1-xZnxSe) et un composé III-V (InP). Le système réactionnel choisi est basé sur la méthode d'injection rapide des précurseurs dans un solvant organique à température élevée. Dans le but de l'augmentation de l'échelle de synthèse, les précurseurs et solvants ont été sélectionnés selon les critères de faible coût, disponibilité commerciale et facilité de manipulation (stabilité à l'air, toxicité). Nous avons effectué un plan d'expériences avec la méthode de Taguchi afin de déterminer l'influence de différents facteurs (concentration en réactifs, nature du ligand, température, ...) sur la taille et la dispersion en taille des NCs avec un minimum d'expériences. Pour l'utilisation de quantités plus importantes un montage permettant une injection automatisée des précurseurs dans un réacteur de 2 litres a été développé. Ceci a permis la synthèse de NCs de CdSe avec une augmentation de l'échelle d'un facteur 20. Nous avons ainsi obtenu des lots de plusieurs grammes de trois tailles distinctes de NCs de CdSe monodisperses. Dans le but d'améliorer le rendement quantique de fluorescence des NCs et d'augmenter leur stabilité, nous avons fait croître une coquille d'un semi-conducteur à gap plus grand à leur surface. Afin d'éviter l'utilisation de réactifs pyrophoriques pour la croissance de coquille, nous avons développé de nouveaux précurseurs pour les coquilles de CdS et ZnS, l'éthylxanthate de cadmium et l'éthylxanthate de zinc. Ces précurseurs monomoléculaires sont stables à l'air, faciles à synthétiser, peu chers et se décomposent à des températures adaptées pour la croissance de coquilles. Les NCs obtenus à base de CdSe, de CdS, de Cd1-xZnxSe et d'InP présentaient des rendements quantiques de fluorescence entre 40 et 70%. Un mélange dans certaines proportions des NCs émettant dans le bleu, le vert et le rouge a permis de générer de la lumière blanche stable dans le temps