In this work, stoichiometric, structural and light emission properties of amorphous wide bandgap semiconductor materials doped with terbium are presented. The amorphous nature of the thin films was confirmed by X-ray diffraction under grazing incidence. Fourier transform infrared spectroscopy spectra exhibit the formation of oxygen bonded elements and X-ray photoelectron spectroscopy reveals the formation of aluminum oxynitride and silicon oxycarbide as host matrices. The thin films were annealed at temperatures ranging from 300 °C to 1000 °C using a rapid thermal processing furnace. The highest light emission intensity for the case of aluminum oxynitride was obtained for terbium concentrations higher than 1 at% and for the annealing temperature at around 400 °C. Additionally, using the characterized films as active layer first electroluminescence devices were designed and investigated. / En el presente trabajo de investigación se ha estudiado propiedades estequiometrias, estructurales y de emisión de luz de semiconductor de amplio ancho de banda dopados con terbio. La difracción de rayos-X en ángulo rasante confirma el estado amorfo de las películas. Los espectros de absorción infrarroja muestran la formación de óxidos en las películas y la espectroscopia de foto-electrones de rayos-X revela la formación de oxinitruro de aluminio y oxicarburo de silicio. Las películas han sido calentadas a temperaturas en el rango de 300 °C a 1000 °C en un horno de rápido procesamiento térmico. De acuerdo con el análisis de las medidas de fotoluminiscencia, la intensidad más alta de emisión de luz del terbio es para películas que tengan concentraciones de terbio mayores al 1at% y a una temperatura de tratamiento térmico de alrededor de 400 °C. Adicionalmente, las películas analizadas han sido usado como capas activas para el diseño de dispositivos electroluminiscentes / Tesis

La electroluminiscencia es el fenómeno por el cual ciertos materiales emiten luz visible cuando se someten a un potencial eléctrico. En este contexto, en la presente tesis doctoral se desarrollaron dispositivos electroluminiscentes tipo OLED basados en sistemas supramoleculares huésped/hospedador, donde el grupo luminóforo se encontraba incorporado en el interior de los microporos de zeolitas, estabilizando este grupo frente a procesos químicos y agentes ambientales que originan su degradación. Previamente, se prepararon una serie de películas de zeolitas, midiendo la conductividad eléctrica de cada una de ellas a diferentes voltajes de corriente directa. Tras esto, fue objeto de estudio la eficiencia electroluminiscente de los compuestos rutenio tris-bipiridilo y polifenilenvinileno encapsulados en el interior de zeolitas de poro grande tipo faujasita. Por otra parte, se ha llevado a cabo la incorporación de compuestos luminóforos en matrices rígidas inorgánicas (PMO) con el fin de aumentar su estabilidad y procesabilidad. Por último, se ha descrito la introducción covalente de grupos imidazolio en la estructura de un compuesto luminóforo. De esta manera, se favoreció el transporte de carga desde los electrodos externos hacia la capa activa, mejorando considerablemente la eficiencia de estas celdas electroluminiscentes. Los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral describen una aplicación novedosa de los sistemas supramoleculares en la obtención de materiales electroluminiscentes, facilitando la preparación de nuevos y mejorados dispositivos OLEDs. / Cabeza Martínez, JF. (2008). Preparación de materiales electroluminiscentes basados en compuestos adsorbidos en el interior de sólidos porosos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3541

This thesis investigates the effects of the annealing treatments on the spontaneous emission, radiative lifetime, composition and structure of terbium doped aluminum nitride films deposited on silicon substrates by radio frequency magnetron sputtering. The purpose of this thesis is to determine the Judd-Ofelt intensity parameters from the emission spectrum, in order to calculate the radiative lifetime, branching ratios and spontaneous emission probability. The optimal annealing temperature for the emission of terbium doped aluminum nitride is investigated. The annealing treatment was performed in the temperature range starting from 500 up to 1000°C. Two annealing techniques were investigated: rapid thermal processing and a rather slower quartz tube furnace. Furthermore, two heating approaches were applied: direct heating at 500, 750, 900 and 1000 °C, and multistep heating of 500-750°C, 750-900°C and 900-1000°C. The film was then characterized to determine which conditions resulted in the highest emission of Tb. The film characterization includes the use of X-ray diffraction to study the film’s crystal orientation, Energy dispersive X-ray spectroscopy to determine the film composition, Scanning electron microscopy and Reflection high-energy electron diffraction to resolve the surface morphology and structure of the film respectively. The luminescent intensity and the radiative lifetime were analyzed using cathodoluminescence measurement and Judd-Ofelt analysis. This work shows that the activation of the Tb ions to enhance the emitted cathodoluminescence intensity depends on the structure of the film and the oxygen concentration. The best annealing temperature to produce the highest emitted light intensity in this set of experiments were the single-step heating at 750°C using rapid thermal processing. / En la presente tesis se investiga la influencia del tratamiento térmico en la probabilidad de emisión espontánea, el tiempo de vida radiativa, la composición y la estructura de películas delgadas de nitruro de aluminio dopadas con terbio depositadas sobre substratos de silicio por la técnica de pulverización catódica de radiofrecuencia. La tesis tiene por objetivo aplicar el análisis de Judd-Ofelt usando el espectro de emisión. Se propone un método que utiliza la intensidad de las bandas de transición del espectro de emisión y las ecuaciones de Judd-Ofelt para calcular las propiedades espectrales: tiempo de vida radiativa, tasa de los canales de transición y probabilidad de emisión espontánea. Usando el software Wolfram Mathematica 9.0 se implementa un programa con el método propuesto. Las películas se trataron térmicamente a 500, 750, 900 y 1000 °C. Se investigaron dos técnicas del tratamiento térmico: Tratamiento térmico rápido y Horno tubular de vidrio de cuarzo. Con el tratamiento térmico rápido se usaron dos tipos de calentamiento: calentamiento directo a la temperatura de tratamiento térmico, y calentamiento sucesivo de la película desde la menor hasta la mayor temperatura. El análisis estructural de las películas fue realizada con difracción de rayos X. A nivel de superficie se caracterizó la estructura y la morfología con las técnicas de difracción de electrones reflejados de alta energía y microscopía electrónica de barrido. La luminiscencia fue medida con la técnica de catodoluminiscencia. Las propiedades espectrales fueron calculadas usando el método propuesto. La intensidad de luz emitida se incrementó y luego decayó con la temperatura de tratamiento. La relación entre la intensidad de emisión, la estructura, composición y los parámetros de Judd-Ofelt son mostrados mediante gráficas y tablas. Los resultados obtenidos muestran una mayor activación de los iones de terbio en las películas calentadas directamente a 750°C usando el tratamiento térmico rápido. / Tesis

Síntesis, caracterización y estudio de las propiedades luminiscentes y magnéticas de complejos pentacoordinados de níquel(II) con ligandos orgánicos del tipo: 8-hidroxiquinolinas, imidas, benzazoles y ácidos mono- y dicarboxílicos. Utilización de estos complejos como sensores luminiscentes en la detección de cationes metálicos de interés biológico y/o ambiental.

El fenómeno espectroscópico, y frecuentemente visual, del apagado luminiscente de especies químicas y biológicas inducido por analitos se ha convertido en un método cualitativo y cuantitativo de gran aplicación para su detección y/o cuantificación. Por ello se han estudiado gran cantidad de moléculas orgánicas luminóforas y polímeros conjugados luminiscentes como sondas químicas y químico-biológicas en solución, las cuales son inherentemente hidrofóbicas. En realidad, la mayoría de los analitos existen en sistemas acuosos. Consecuentemente, se está trabajando intensamente en el desarrollo de películas luminiscentes con distintos tipos de materiales funcionales para poder superar los inconvenientes de las sondas luminiscentes en solución acuosa. Este estudio se focalizó en la detección de compuestos aromáticos nitrados (NACs), que son los analitos relevantes en problemas ambientales e investigación forense, en medio acuoso mediante películas de polímeros segmentados conjugados (PCS). Cabe agregar que las exposiciones breves o prolongadas de compuestos nitroaromáticos producen anemia, cáncer, funcionamiento hepático anormal, desarrollo de cataratas e irritación de la piel, etc. En principio, distintos polímeros fluorescentes se sintetizaron y se caracterizaron estructuralmente. Asimismo, se estudiaron sus propiedades térmicas, ópticas y de procesabilidad. Posteriormente se estudió la capacidad de sus películas para detectar distintos NACs en medio acuoso. El objetivo inicial fue analizar el papel de la microestructura polimérica en la capacidad quimiosensora de películas. Para ello se utilizaron tres configuraciones estructurales: • Serie 1. PCSs con conectores isopropilideno y cromóforos extendidos del tipo de los diestirilnaftalenos unidos por sus posiciones meta que poseen gran libertad conformacional. • Serie 2. PCSs con conectores isopropilideno y cromóforos cortos como el bifenilo y el terfenilo unidos por sus posiciones para que poseen menor libertad conformacional que los unidos por sus posiciones meta. • Serie 3. PCSs con conectores espiro rígidos, con una flexibilidad conformacional muy restringida y que introducen ángulos más agudos en la microestructura polímerica, con unidades fluorescentes cuaterfenileno y fluoreno. Los resultados mostraron que las películas de estos polímeros electrón donores exhiben muy buenas habilidades como sensores de los NACs electrón aceptores en el rango submicromolar y micromolar. Pero el análisis de los resultados del apagado de películas de los tres sistemas estudiados por mono, di y trinitrofenoles y mono, di y trinitrotoluenos indica que no es posible relacionar la eficiencia en el apagado con parámetros electrónicos (carácter dador de electrones) o estéricos (tamaño molecular) ya sea de los apagadores o de los polímeros. De manera general se observó que los PCS son más sensibles al acido pícrico (AcP) que al TNT. Esta mayor sensibilidad se asigna a contribuciones adicionales al apagado por el efecto de filtro interno que es particularmente importante con AcP. Del conjunto de variables que define la respuesta de las películas frente a NACs, el espesor de la película y la morfología son elementos que se han discutido previamente en la literatura y que se constataron nuevamente en este estudio. Se observó un aumento de sensibilidad al disminuir el espesor de la película y en algunos de los polímeros con los valores de transición vítrea más bajos. Cabe destacar que las expectativas de aumentar la sensibilidad en base a consideraciones de carácter estructural no se cumplieron totalmente, aunque, por ejemplo, los polímeros con grupos conectores espiro son más eficientes en el apagado de la fluorescencia por TNT que los que poseen conectores isopropilideno. Sin embargo, a todo esto, hay que agregar la contribución de apagado por IFE que puede modificar sustancialmente la respuesta, y que depende de otras variables como son las longitudes de onda empleadas en la detección. Los resultados aquí obtenidos sugieren que la estructura y propiedades intrínsecas de los fluoróforos y la microestructura polimérica no son definitorias en sí mismas, sino en la medida que contribuyen a modificar los factores antes mencionados, morfología e IFE. / The spectroscopic, and frequently visual, phenomenon of the luminescent quenching of chemical and biological species induced by analytes has become a qualitative and quantitative method of great application for its detection and / or quantification. For this reason, a large number of luminophores and luminescent organic conjugated polymers have been studied as chemical and chemical-biological probes in solution, which are inherently hydrophobic. Actually, most analytes exist in aqueous systems. Consequently, intense work is being done on the development of luminescent films with different types of functional materials in order to overcome the disadvantages of the luminescent probes in aqueous solution. This study focused on the detection of nitroaromatic compounds (NACs), which are relevant analytes in environmental problems and forensic investigation, in aqueous medium by means of conjugated segmented polymer (PCS) films. It should be added that brief or prolonged exposures of nitroaromatic compounds produce anemia, cancer, abnormal liver function, development of cataracts and skin irritation, etc. In principle, different fluorescent polymers were synthesized and structurally characterized. Likewise, its thermal, optical and processability properties were studied. Subsequently the ability of their films to detect different NACs in aqueous medium was studied. The initial objective was to analyze the role of polymeric microstructure in the chemosensory capacity of films. For this, three microstructural configurations were used • Series 1. PCSs, with isopropylidene connectors and extended chromophores of the type of the diastyrilnaphthalenes linked by their meta positions, that have great conformational freedom • Series 2. PCSs, with isopropylidene and short chromophores such as biphenyl and terphenyl linked by their para positions, that have less conformational freedom than those linked by their meta positions. • Series 3. PCS with rigid spiro connectors, which have very restricted conformational flexibility and introduce more acute angles in the polymeric microstructure, with the fluorescent units quaterphenylene and fluorene. The results showed that the films of these electron donating polymers exhibit very good abilities as sensors of the electon accepting NACs in the submicromolar and micromolar range. But, the analysis of the results of the quenching of the three systems studied by mono, di and trinitrophenols and mono, di and trinitrotoluenes indicates that it is not possible to relate the efficiency in the quenching with electronic parameters (electron donor character) or sterics (molecular size) either from the quenchers or from the polymers. In general, it was observed that PCS are more sensitive to picric acid (AcP) than to TNT. This increased sensitivity was assigned to additional contributions to the quenching by internal filter effects which are particularly important with AcP. From the set of variables that define the response of films to NACs, film thickness and morphology are elements that have been previously discussed in the literature and that were found again in this study. Thus, an increase in sensitivity was observed by decreasing the film thickness and in some of the polymers with the lower glass transition values. It should be noted that the expectations of increasing sensitivity based on considerations of structural nature were not fully met, although, for example, polymers with spiro connecting groups are more efficient in quenching fluorescence by TNT than those with isopropylidene linkers. However, to all this we must add the contribution to quenching by IFE that can substantially modify the response, and that depends on other variables such as the wavelengths used in the detection. The results obtained here suggest that the structure and intrinsic properties of fluorophores and polymeric microstructure are not definitive by themselves, but to the extent that they contribute to modify the aforementioned factors, morphology and IFE.

This thesis investigates the effects of the annealing treatments on the spontaneous emission, radiative lifetime, composition and structure of terbium doped aluminum nitride films deposited on silicon substrates by radio frequency magnetron sputtering. The purpose of this thesis is to determine the Judd-Ofelt intensity parameters from the emission spectrum, in order to calculate the radiative lifetime, branching ratios and spontaneous emission probability. The optimal annealing temperature for the emission of terbium doped aluminum nitride is investigated. The annealing treatment was performed in the temperature range starting from 500 up to 1000°C. Two annealing techniques were investigated: rapid thermal processing and a rather slower quartz tube furnace. Furthermore, two heating approaches were applied: direct heating at 500, 750, 900 and 1000 °C, and multistep heating of 500-750°C, 750-900°C and 900-1000°C. The film was then characterized to determine which conditions resulted in the highest emission of Tb. The film characterization includes the use of X-ray diffraction to study the film’s crystal orientation, Energy dispersive X-ray spectroscopy to determine the film composition, Scanning electron microscopy and Reflection high-energy electron diffraction to resolve the surface morphology and structure of the film respectively. The luminescent intensity and the radiative lifetime were analyzed using cathodoluminescence measurement and Judd-Ofelt analysis. This work shows that the activation of the Tb ions to enhance the emitted cathodoluminescence intensity depends on the structure of the film and the oxygen concentration. The best annealing temperature to produce the highest emitted light intensity in this set of experiments were the single-step heating at 750°C using rapid thermal processing. / En la presente tesis se investiga la influencia del tratamiento térmico en la probabilidad de emisión espontánea, el tiempo de vida radiativa, la composición y la estructura de películas delgadas de nitruro de aluminio dopadas con terbio depositadas sobre substratos de silicio por la técnica de pulverización catódica de radiofrecuencia. La tesis tiene por objetivo aplicar el análisis de Judd-Ofelt usando el espectro de emisión. Se propone un método que utiliza la intensidad de las bandas de transición del espectro de emisión y las ecuaciones de Judd-Ofelt para calcular las propiedades espectrales: tiempo de vida radiativa, tasa de los canales de transición y probabilidad de emisión espontánea. Usando el software Wolfram Mathematica 9.0 se implementa un programa con el método propuesto. Las películas se trataron térmicamente a 500, 750, 900 y 1000 °C. Se investigaron dos técnicas del tratamiento térmico: Tratamiento térmico rápido y Horno tubular de vidrio de cuarzo. Con el tratamiento térmico rápido se usaron dos tipos de calentamiento: calentamiento directo a la temperatura de tratamiento térmico, y calentamiento sucesivo de la película desde la menor hasta la mayor temperatura. El análisis estructural de las películas fue realizada con difracción de rayos X. A nivel de superficie se caracterizó la estructura y la morfología con las técnicas de difracción de electrones reflejados de alta energía y microscopía electrónica de barrido. La luminiscencia fue medida con la técnica de catodoluminiscencia. Las propiedades espectrales fueron calculadas usando el método propuesto. La intensidad de luz emitida se incrementó y luego decayó con la temperatura de tratamiento. La relación entre la intensidad de emisión, la estructura, composición y los parámetros de Judd-Ofelt son mostrados mediante gráficas y tablas. Los resultados obtenidos muestran una mayor activación de los iones de terbio en las películas calentadas directamente a 750°C usando el tratamiento térmico rápido. / Tesis

Los semiconductores dopados con tierras raras presentan gran interés de estudio científico debido a sus prometedoras aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, donde ya han encontrado múltiples aplicaciones como dispositivos de conversión ascendente y descendente de luz óptico, láser de uso médicos, pantallas luminiscentes, entre otros. El carburo de silicio posee un ancho de banda de 2;2 eV - 3;3 eV, es térmicamente estable ya que sublima a 2830 fC. Diversas investigaciones sobre carburo de silicio lo reportan como un buen material matriz para ser dopado con tierras raras. Por otro lado, las tierras raras a excepción de lantano y lutecio poseen incompletos los orbitales f que por ser internos no participan de enlaces y sólo se ven afectados por el entorno iónico, teniendo la capacidad de ser excitados cuando se encuentran embebidos en una matriz apropiada. Una característica fundamental de los materiales dopados con tierras raras es la emisión de luz que se ve mejorada cuando el material dopado es sometido a tratamientos térmicos en un rango de temperatura de 400 fC a 1000 fC, logrando así la activación térmica de los iones Tb3+, se cree que ésta mejora se debe a la interacción entre iones de Tb3+, donde la distancia interiónica juega un papel clave; además, del entorno cristalino de los iones y las simetrías (Regla de selección de Laporte). Con el propósito de investigar como el comportamiento difusivo de los iones de Tb3+ en la matriz de a-SiC tiene efecto en luminiscencia y a fn de establecer relaciones entre las energías de activación para la luminiscencia y la difusión, en este trabajo se presenta el estudio de estructuras bicapa depositadas por la técnica de pulverización catódica de radiofrecuencia con magnetrones sobre sustrato de silicio oxidados térmicamente. Las cuales fueron sometidas a diferentes tratamientos térmicos a temperaturas en un rango de 973 K-1273 K con tiempos entre 5 y 20 minutos. Después de cada tratamiento térmico las muestras fueron caracterizadas por refectividad de rayos X (XRR), catodoluminiscencia (CL) y espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDS). La luminiscencia de las muestras, estudiadas con CL, presenta cambios al variar el voltaje de aceleración de electrones (fuente de excitación), a partir de este experimento se obtiene la energía de activación para la luminiscencia. La difusión de terbio se investigó mediante EDS, y los coeficientes de difusión se extrajeron de un ajuste de datos a funciones basadas en la solución de la segunda ley de difusión de Fick. Una simple aproximación a la ley de Arrhenius permite determinar la energía de activación para la difusión.

El uso de elementos de tierras raras (RE) en materiales de luminiscencia ha permitido introducir mejoras en diversas aplicaciones. En iluminación, por ejemplo, los fósforos amarillos YAG (Y3Al5O12:Ce3+) son ampliamente utilizado en LED blancos. En los sistemas de telecomunicaciones e Internet, se utilizan amplificadores de fibra dopada con erbio (Er3+) para aplicaciones en la región de longitud de onda de las telecomunicaciones (1530- 1550 nm). En láseres, YAG:Nd3+ encuentran su aplicación en láseres de estado sólido con una línea de emisión de 1,06 μm. Los YAG también pueden estar dopados con Tm3+ (1,93- 2,04 μm) o Er3+ (2,94 μm) y se utilizan principalmente en aplicaciones médicas. En las células solares, las capas de convertidor espectral están diseñadas para aumentar la eficiencia de las células solares. El espectro solar AM1.5G se puede modificar mediante procesos llamados Up-conversion, quantum cutting, and down-shifting. Por tanto, se mejoraría el EQE de las células solares. El estudio central de este trabajo fue la preparación y optimización de la luminiscencia de los iones Tb3+ e Yb3+ en la relativamente nueva matriz de a-SiOC: H para aplicaciones luminiscentes como convertidores espectrales descendentes. El método utilizado para la optimización de la luminiscencia se basa en tratamientos de recocido, composición de la matriz y co-dopaje con elementos Tb e Yb. Los detalles experimentales se presentan en el Capítulo 3. El primer objetivo de este trabajo se centró en la preparación de capas de a-SiOC: H que pueden cultivarse en la superficie de una célula solar de prueba (célula de Si + capa antirreflejante). La literatura reporta trabajos previos sobre SiOC. Sin embargo, la mayoría de ellos se basan principalmente en la preparación a temperaturas cercanas a los 1000 °C, lo que provocaría daños en la celda solar debido a la alta temperatura. Por esta razón, se utilizó un sistema de pulverización catódica de RF con enfriamiento del sustrato. Las propiedades ópticas de la matriz dependen de la composición de Si, C y O. por lo que, el Capítulo 4 se enfoca en el estudio de (1) el análisis de composición y la estructura, (2) el cálculo de la banda prohibida y la energía de Urbach, (3) el efecto del tratamiento de recocido en la estructura de la red atómica y (4) los procesos que impulsan la luminiscencia de matriz. El segundo objetivo de este trabajo fue la optimización de la fotoluminiscencia de los iones Tb3+ e Yb3+ en muestras de a-SiOC:H dopadas con uno de los dos iones. Una luminiscencia creciente de los iones de RE3+ requiere (1) aumentar el número de iones RE3+ activos, (2) reducir las fuentes de pérdida de energía y (3) aumentar el número de sensibilizadores. El Capítulo 5 examina estos procesos en detalle. En la literatura, la emisión de iones RE3+ está bien reportada. Sin embargo, los mecanismos de transferencia no radiativa de energía de los estados de defecto (en materiales amorfos basados en silicio) a los dopantes de RE son poco discutidos. Además, el ion RE3+ en tales materiales no reemplazará a ninguno de los iones en la matriz como si lo hace en el caso de los materiales cristalinos dopados con elementos de RE. En materiales amorfos (que contienen oxígeno), el ion RE3+ se ubicará en un sitio rodeado localmente por átomos de oxígeno. Por lo tanto, este trabajo estudia y propone mecanismos de excitación para los iones Tb3+ e Yb3+. Estos mecanismos pueden aplicarse en la matriz a-SiOC: H y extenderse a materiales basados en Si y SiOx. Finalmente, estudios previos del efecto del carbono mostraron una mejora de la luminiscencia de los iones RE3+. Por tanto, se llevó a cabo un estudio sistemático de luminiscencia basado en el cambio de composición del carbono. Este trabajo estudia las ventajas y desventajas del dopaje con carbono en la activación de la luminiscencia de los iones RE3+. Los resultados también se presentan en el Capítulo 5. El tercer objetivo de este trabajo fue la optimización de la luminiscencia del Yb en muestras de a-SiOC:H co-dopadas. Entre los diferentes sistemas de iones RE3+ para aplicaciones de corte cuántico (QC) en el infrarrojo cercano, los que incluyen iones Yb3+ parecen ser los más apropiados porque el ión Yb3+ tiene una transición a aproximadamente 980 nm (~ 1,22 eV) justo por encima de la banda prohibida del silicio cristalino de 1,1 eV. Los iones Tb3+ se utilizaron para mejorar la emisión de los iones Yb3+. Por lo tanto, los convertidores descendentes de infrarrojo cercano encuentran una posible aplicación en las células solares de silicio. La capa de convertidor espectral se colocará en la parte superior de la superficie de la célula solar, por lo que la capa de QC tiene la ventaja de que se puede optimizar independientemente de la celda. En este trabajo se identifican y estudian los mecanismos asociados a la transferencia de energía del huésped a los iones RE3+. Se estimó el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de la capa convertidora espectral. Además, se prepararon las capas en la superficie frontal de las células de mc-silicio, y se estudió su efecto en la eficiencia cuántica externa. Por último, se estudió el mecanismo de transferencia cooperativa entre los iones Tb3+ e Yb3+; los cuales son utilizados para explicar el proceso de QC. Este mecanismo cooperativo se ha atribuido a los procesos de QC en muchas matrices cristalinas y amorfas. Sin embargo, a pesar de numerosos documentos que adscriben sus resultados al mecanismo de transferencia cooperativa, pocos realmente lo prueban. Por lo tanto, también se analiza el papel de los iones Tb3+ en la luminiscencia del Yb. Los resultados se presentan en el Capítulo 6. / The uses of rare-earth (RE) elements in luminescence materials led to important improvements in a variety of applications. In lighting, for example, YAG yellow phosphors (Y3Al5O12:Ce3+) are widely used for white LED devices. In telecommunication and internet systems, erbium (Er3+)-doped fiber amplifiers are used in the telecom wavelength region (1530-1550 nm). In laser, YAG:Nd3+ are used in solid-state lasers with an emission line at 1.06 μm. YAG can also be doped with Tm3+ (1.93-2.04 μm) or Er3+ (2.94 μm) and are mainly used in medical applications. In solar cells, spectral converter layers are designed to increase the efficiency of solar cells. The AM1.5G solar spectrum can be modified by processes called up-conversion, quantum cutting, and down-shifting. Thus, it would improve the EQE of solar cells. The central study of this work was the preparation and optimization of the luminescence of Tb3+ and Yb3+ ions in the relatively new a-SiOC:H matrix for luminescent applications as spectral downconverters. The method used for luminescence optimization is based on annealing treatments, matrix composition and co-doping with Tb and Yb elements. Experimental details are presented in Chapter 3. The first goal of this work focused on the preparation of a-SiOC:H layers that can be grown on the surface of a test solar cell (Si cell + antireflective layer). The literature reports previous works on SiOC. However, most of them are mainly based on preparation at temperatures close to 1000 °C, which would lead to damage in solar cell due to the high temperature. For this reason, an RF-sputtering system with substrate cooling was used. The matrix optical properties depend on the Si, C, and O composition. So, Chapter 4 focus on the study of (1) composition and structure analysis, (2) the bandgap and Urbach energy calculation, (3) the effect of the annealing treatment on the atomic network structure, and (4) the processes driving the matrix luminescence. The second goal of this work was the optimization of the annealing temperature and RE(Tb, Yb) concentration to improve the photoluminescence of the Tb3+ and Yb3+ ions in single doped a-SiOC:H samples. An increasing RE luminescence requires (1) to increase the number of active RE3+ ions, (2) to reduce the sources of energy loss, and (3) to increase the number of sensitizers. Chapter 5 examines those processes in detail. In the literature, the RE3+ ion emission is well reported. However, there is limited discussion of the mechanisms of non-radiative energy transfer from defect states to RE dopants in silicon-based amorphous ix materials. Furthermore, the RE3+ ion in such materials will not replace any of the ions in the matrix as it does in the case of RE doped crystalline materials. In amorphous materials (containing oxygen), the RE3+ ion will be located at a site locally surrounded by oxygen atoms. Hence, this work studies and proposes excitation mechanisms for Tb3+ and Yb3+ ions. These mechanisms can be applied to the a-SiOC:H matrix and be extended to Si and SiOxbased materials. Finally, previous studies of the effect of carbon showed an enhancement of the luminescence of RE3+ ions. Therefore, a systematic study of luminescence was carried out based on changing the carbon composition. This work seeks to study the advantages and disadvantages of carbon doping in activating RE luminescence. The results are also presented in Chapter 5. The third goal of this work was the optimization of the annealing temperature and RE(Tb, Yb) concentration to improve the Yb luminescence in co-doped a-SiOC:H samples. Among different RE3+ ions systems for near-infrared quantum cutting (QC) applications, those including Yb3+ ions seem to be the most appropriate because the Yb3+ ion has a transition at about 980 nm (~1.22 eV) just above the crystalline silicon bandgap of 1.1 eV. The Tb3+ ions (ion donor) are used to enhance the Yb emission. Thus, near-infrared downconverter (DC) layers have found a possible application in silicon solar cells. The spectral converter layer will be put on the top of the solar cell surface, incorporating the DC layer leads to the advantage of a layer that can be optimized independently of the cell. This work identifies and studies the mechanisms associated with the energy transfer from the host to the RE3+ ions. Photoluminescence quantum yield of the spectral converter layer was estimated. Also, the layers were prepared on the front surface of mc-silicon cells, and their effect on the external quantum efficiency was studied. In addition, the cooperative transfer mechanism between Tb3+ and Yb3+ ions were studied, which are used to explain the QC process. This cooperative mechanism has been attributed to QC processes in many crystalline and amorphous matrices. However, despite numerous documents that ascribe their results to the cooperative transfer mechanism, few actually prove it. Therefore, the role of the Tb3+ ions in the Yb luminescence is also discussed. The results are presented in Chapter 6.

In this work, stoichiometric, structural and light emission properties of amorphous wide bandgap semiconductor materials doped with terbium are presented. The amorphous nature of the thin films was confirmed by X-ray diffraction under grazing incidence. Fourier transform infrared spectroscopy spectra exhibit the formation of oxygen bonded elements and X-ray photoelectron spectroscopy reveals the formation of aluminum oxynitride and silicon oxycarbide as host matrices. The thin films were annealed at temperatures ranging from 300 °C to 1000 °C using a rapid thermal processing furnace. The highest light emission intensity for the case of aluminum oxynitride was obtained for terbium concentrations higher than 1 at% and for the annealing temperature at around 400 °C. Additionally, using the characterized films as active layer first electroluminescence devices were designed and investigated. / En el presente trabajo de investigación se ha estudiado propiedades estequiometrias, estructurales y de emisión de luz de semiconductor de amplio ancho de banda dopados con terbio. La difracción de rayos-X en ángulo rasante confirma el estado amorfo de las películas. Los espectros de absorción infrarroja muestran la formación de óxidos en las películas y la espectroscopia de foto-electrones de rayos-X revela la formación de oxinitruro de aluminio y oxicarburo de silicio. Las películas han sido calentadas a temperaturas en el rango de 300 °C a 1000 °C en un horno de rápido procesamiento térmico. De acuerdo con el análisis de las medidas de fotoluminiscencia, la intensidad más alta de emisión de luz del terbio es para películas que tengan concentraciones de terbio mayores al 1at% y a una temperatura de tratamiento térmico de alrededor de 400 °C. Adicionalmente, las películas analizadas han sido usado como capas activas para el diseño de dispositivos electroluminiscentes / Tesis

El trabajo resumido en esta tesis se ha llevado a cabo dentro del grupo de Altas Presiones y Espectroscopia de la Universidad de Cantabria y tiene dos objetivos principales. Por un lado, se han estudiado las propiedades ópticas de distintos iones de metales de transición y tierras raras en diversas redes aislantes. Se han realizado medidas experimentales de luminiscencia, absorción, tiempo de vida y espectroscopia resuelta en tiempo. Concretamente, uno de los objetivos principales ha sido establecer los mecanismos responsables de la luminiscencia de upconversion de los materiales estudiados, y los requerimientos estructurales para aumentar su eficiencia. Para ello se han comparado diversos métodos de síntesis así como diferentes concentraciones de impurezas. Asimismo, se han investigado transiciones de fase a alta presión en semiconductores con tamaño de partícula en el rango de los nanómetros mediante absorción óptica, espectroscopia Raman y difracción de rayos X. La síntesis de las muestras representa también una parte muy importante de este trabajo. / This work has been performed within the High Pressure and Spectroscopy group at the University of Cantabria. The aim of this thesis is two-fold; firstly, this work has been devoted to the study of the microscopic origin of the optical properties of diverse transition metal and rare-earth ions in different insulating host lattices. Concretely, one of the main goals has been to establish the mechanisms responsible for the upconversion luminescence properties of the studied materials, as well as the structural requirements to increase their quantum efficiency. Different synthesis methods and impurity concentrations have been compared. Secondly, phase transitions under high pressure in semiconductor nanocrystals or quantum dots have been studied by means of optical absorption, Raman spectroscopy and X-ray diffraction. Besides, the synthesis of the samples is a remarkable point since we have prepared ourselves all the samples studied in this thesis work.