Development and characterization of structures and materials applied in photovoltaics and in photonics
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Université Sétif 1 - Ferhat ABBAS , Institut d'Optique et Mécanique de Précision
Abstract
The objective of this work was primarily to study the effective medium and materials through various characterization techniques (optical, structural, electronic) applied in the photovoltaic (PV) and the biophotonic (BP) domain. The optical and electronic properties of monocrystalline Si (100) with a nanostructured surface “Black Silicon”, obtained by an inductively coupled plasma (ICP) dry reactive ion etching (RIE) process in a gas mixture of SF6 and O2 (coated and not coated samples), were characterized using SEM, CLSM, XRD, EDX, SE, UV-Vis, PL, REM, and XPS, especially with regard to photovoltaic applications. Thereafter, a biophotonics part is focused on optical characterization (axial resolution) of fluorescence correlation spectroscopy (FCS) configuration and widefield microscopy imaging of fluorescent molecules in a heterogeneous medium as well (effective medium). A systematic study using two different FCS methods with known (and unknown) concentration (or diffusion coefficient) has been implemented in parallel with the PSF method. So, based on the statical analysis of fluorescence fluctuations of fluorescent molecules, both FCS and PSF methods are in agreement with small uncertainties. Afterward, the optical response of the observed heterogeneous structure is modeled by a combination of the Gibson-Lanni (scalar model) and the effective medium approximations (EMA) such as Lorentz-Lorenz, Maxwell-Garnett, Bruggeman, and Chemical mixture models. The obtained results demonstrate that this model is not only effective to predict and interpret the image obtained by the widefield optical microscope but also to improve the PSF results.
Description
L'objectif de ce travail était principalement d'étudier les milieux effectifs et matériaux à travers différentes techniques de caractérisation tels que : caractérisation optique, structurale, électronique, appliquées dans le domaine photovoltaïque (PV) et biophotonique (BP). Les propriétés optiques et électroniques du Si monocristallin (100) à surface nanostructuré « silicium noir », obtenu par un procédé de gravure ionique réactive sèche (RIE) plasma à couplage inductif (ICP) dans un mélange gazeux de SF6 et O2 (revêtu et non revêtu), ont été caractérisées par des moyens de CLSM, XRD, EDX, SE, UV-Vis, PL et SEM, en tenant compte leurs applications en photovoltaïques. Par la suite, une partie biophotonique est basée sur la caractérisation optique (résolution axiale) de la configuration de spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) et également de l'imagerie en microscopie à champ proche de molécules fluorescentes dans un milieu hétérogène (milieu effectif). Une étude systématique selon deux méthodes différentes de FCS avec des concentrations (ou coefficient de diffusion) connus (et inconnus) a été mise en place en parallèle avec la méthode de PSF. Par la suite, la réponse optique de la structure hétérogène observée est modélisée par une combinaison de Gibson-Lanni (modèle scalaire) avec les approximations des milieux effectives (EMA) telles que Lorentz Lorenz, Maxwell Garnett, Bruggeman et le modèle de mélange chimique. Les résultats obtenus démontrent que ce modèle est non seulement efficace pour prédire et interpréter l'image obtenue par le microscope optique à champ proche mais aussi pour améliorer les résultats de PSF.