Le travail présenté ici est une contribution à l’étude des propriétés de photoluminescence (PL) d’ions de terre rare (Erbium) insérés dans des matrices grand gap (AlN) de différentes morphologies et déposées sous forme de films minces. Une méthode de dépôt PVD magnétron rf a été utilisée pour obtenir des dépôts minces de nitrure d’aluminium dont les morphologies cristallines couvrent une gamme allant de la morphologie colonnaire classique jusqu’à l’état nano cristallisé et amorphe. On montre comment, plus la puissance magnétron est élevée plus les cristallites colonnaires d’AlN sont de grande dimension et comment l’application d’une polarisation négative sur les substrats de silicium permet l’obtention de dépôts nano cristallisés. Différents taux de dopage, de 0.1 à 6 at. %, sont obtenus avec une cible composite Al+Er.La PL à 1.54 [micro]m de l’atome d’Er a été étudiée en fonction des valeurs des paramètres « procédé » et donc en fonction des morphologies de AlN. Il a été montré que le maximum d'émission de PL a lieu pour un dopage de 1 at. %. L’étude montre que l'intensité de PL augmente avec la puissance magnétron et diminue avec l’intensité de polarisation des substrats. Ces deux résultats montrent que l'intensité PL est fortement corrélée à la morphologie des films. Plus les cristallites sont importantes, plus l'émission de PL est efficace. Cette corrélation entre la PL et la morphologie des matrices a permis de mettre en évidence le rôle des champs cristallins des défauts non radiatifs dans les cristallites. Le rôle des défauts a été confirmé par des mesures de luminescence résolue en temps, des mesures sur dépôts recuits et des mesures de PL à basse température. L’effet de diminution de la PL avec la température est très faible ce qui rend le matériau très prometteur pour des applications en optoélectronique et en photonique / The work presented here is a contribution to the study of the photoluminescence (PL) properties of a rare earth ions (Erbium) inserted inside wide gap matrices (AlN) of different morphologies and deposited as thin films. A physical vapour deposition magnetron rf technique has been used to obtain thin layers of aluminium nitride whose crystalline morphologies are ranging from the classical columnar morphology to the nanocrystalline state or amorphous. One shows how, the higher the magnetron power, the larger are the columnar crystallites and how the use of a negative polarization on the silicon substrates allows obtaining nano crystallized layers. Different doping rates (from 0.1 to 6 at. %) have been achieved using a Al+Er composite target.The PL of the Er atom at 1.54 [micro]m has been studied versus the process parameters and so as a function of the different AlN morphologies. It was shown that the maximum of PL emission is achieved for a rate of 1 atomic %. PL intensity was shown to increase with the magnetron power and decrease with the polarization intensity of the substrates. These two results demonstrate that PL intensity is strongly correlated to the matrix morphology. The larger the crystallites, the most efficient are the PL emission allows evidencing the role of the non radiative defects crystalline fields in the crystallites. The role of the defects was confirmed by time resolved photoluminescence measurements and by PL measurements performed on annealed samples or at low temperature. The decrease of PL with temperature is very weak, making this way the material very promising for optoelectronic and photonic applications

Cette thèse se concentre sur la caractérisation, la dispersion, ainsi que les différentes applications d'un nouveau type de matériaux dérivé de la dégradation de biométhane dans le cadre d'un projet Européen, le projet PlasCarb. Nous appelons ces matériaux les nanopalets de carbone (CNP). Notre étude commence avec la caractérisation des CNP, puis nous poursuivons avec l'obtention de dispersions aqueuses bien définies et hautement concentrées de CNP. Ces dispersions ont été utilisées pour la préparation de films conducteurs et de composites conducteurs avec du caoutchouc naturel. Enfin, la photoluminescence des CNP dispersés et solubilisés dans un milieu liquide a été évaluée. Des tests préliminaires montrent une photoluminescence dans le bleu très prometteuse. / This PhD thesis is focused on the characterization, dispersion and applications of graphitic material (in this manuscript referred as carbon nanopuck (CNP)) that derives from the splitting of biogas and obtained within the framework of the European project “PlasCarb”. This study starts with CNP characterization. Afterwards, well-defined, high concentrated CNP dispersions in water, calibrated insize have been obtained. These dispersions have been used to prepare conductive films and as components of conductive composites with natural rubber. Ultimately, the photoluminescence of CNP dispersed and dissolved in liquid media has been tested. Preliminary tests of these systems exhibit promising blue PL.

Les luminaires à LEDs représentent une alternative "verte" aux lampes fluorescentes et aux lampes à incandescence en répondant notamment à des critères de préservation de l'environnement : réduction de la consommation d’énergie, technologies sans mercure ni plomb et recyclables à 98%. Cependant, ces luminophores, qui sont actuellement utilisés dans les luminaires à LEDs, contiennent aujourd’hui des éléments de terres rares qui sont issus à 95% de Chine, créant de ce fait une situation de quasi-monopole et un risque réel pour le déploiement de la technologie LED dans les années à venir. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement de luminophores sans terres rares pour produire de la lumière blanche dans les luminaires à LEDs. Au cours de ces travaux nous avons étudié trois types de luminophores sans terres rares: luminophores organiques, luminophores hybrides (organiques-inorganiques) et quantum dots (QDs) type cœur-coquille. Les études optiques réalisées sur ces luminophores sous excitation LEDs UV ou bleue nous ont permis de déterminer leurs caractéristiques colorimétriques (IRC, T(K), PLQY(%)) et de mettre en évidence l’évolution de leurs performances dans les conditions d’usage. Pour obtenir une lumière la plus proche du blanc idéal, les luminophores les plus performants ont été sélectionnés puis mélangés en proportion adéquate avec une matrice polymère de type silicone pour conduire à un film composite offrant une émission blanche de qualité sous excitation LEDs UV ou bleue. Un autre volet de ce travail a été dédié à l’étude de la stabilité de ces luminophores (films ou poudres) en fonction du temps et de la température. L’influence de ces paramètres sur les propriétés optiques a été déterminée. Des performances optiques de 30% ont été enregistrées avec des caractéristiques photométriques intéressantes. Aussi, l’ensemble des résultats obtenus montre l’intérêt de poursuivre ces études sur les luminophores sans terres rares qui offrent des propriétés optiques intéressantes. Même s'ils ne concurrencent pas encore les luminophores inorganiques pour l’application « éclairage grand public », les luminophores sans terres rares peuvent déjà se positionner sur d’autres secteurs d’activité comme par exemple : l’éclairage d’ambiance, la signalétique le marquage anti-contrefaçons. / Lighting technologies based on light-emitting diodes have become an alternative solution over the obsolete technologies (fluorescent lamps and incandescent lamps) due to their positive key criteria of environmental conservation: reduction of energy consumption and mercury/lead-free with 98% recycling technologies. However, the rare-earth elements, which are currently used in LED lightings, are produced by China at about 95%, thereby creating a monopoly situation on the rare-earth elements’ market and also a risk to the deployment of LED technologies in coming years. In this work, we have been interested in the development of rare-earth-free luminescent materials for LED lighting applications in order to produce a white light emission. Three kinds of rare-earth-free luminescent materials have been investigated: organic phosphors, hybrid (organic-inorganic) phosphors and core-shell quantum dots (QDs). The optical studies of these phosphors recorded upon UV and/or blue excitations allow us to determine their colorimetric parameters (CRI, T(K), PLQY(%)) and to demonstrate their optical performances for use in lighting devices. In order to yield a color emission close to ideal white light, the best phosphors were selected and then introduced by mixing them in appropriate proportions into silicone polymers. Another part of this work was devoted to the studies of stability of phosphors (films or powders) under operating conditions of LEDs, moreover, variation of their optical properties as a function of time and temperature were also determined. The optical performances about 30% have been recorded with some interesting colorimetric parameters. Although these materials have presented lower photoluminescence properties compared with commercial rare-earth based inorganic phosphors for “public lighting” applications, they can already be positioned on other luminescent sectors such as indoor lighting, signage anti-counterfeit marking.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des verres alumino-silicatés de calcium dopés à l'europium et le processus de leur cristallisation sous forme des vitrocéramiques dans le cadre de la recherche de nouveaux phosphores pour application LED à émission blanche. Nous avons étudié trois échantillons vitreux avec différentes teneurs en silice et avons élaboré des vitrocéramiques cristallisées. La caractérisation des verres et des vitrocéramiques a été réalisée par différentes techniques expérimentales : l'analyse thermique, la diffraction des rayons X et la spectroscopie de diffusion Raman. Les propriétés spectroscopiques de l'ion europium dans les verres et les vitrocéramiques synthétisés ont été étudiées. Le contrôle de la cristallisation des vitrocéramiques GC34 et GC50 par la diffraction des rayons X a permis d'identifier deux phases la mélilite et l'anorthite. Dans le cas de la vitrocéramique GC7, une seule phase alumino-calcique qui est la mayenite est cristallisée majoritairement. L'étude par la spectroscopie de diffusion Raman a permis d'une part, de suivre l'évolution de la cristallisation pendant les traitements thermiques en surface et en profondeur dans l'ensemble des vitrocéramiques. Nous avons montré que le processus de cristallisation a eu lieu en surface des échantillons et correspond typiquement à une nucléation hétérogène. D'autre part, une étude comparative avec des échantillons naturels analogues prise de la base de données RRUFF nous a permis de valider l'ensemble des résultats trouvés. Dans le cas des vitrocéramiques GC34 et GC50, les mesures des spectres d'émission et les durées de vie de l'ion Eu3+ montrent bien son incorporation dans les phases cristallines formées. L'ion Eu3+ tend à occuper seulement les sites Ca2+ (CN= 8) de la mélilite majoritaire dans la vitrocéramique GC34 alors, qu'il tend à s'incorporer dans les sites Ca2+ (CN= 6 et 7) et Ca2+ (CN=8) respectivement, des phases anorthite et mélilite formées dans la vitrocéramique GC50. Ces résultats ont été confirmés par les mesures d'affinement de raies. L'étude des spectres d'émission de l'ion Eu2+ a permis de mettre en évidence une modification de son environnement durant la cristallisation traduite par son incorporation dans les sites Ca2+ après réduction de l'ion Eu3+ pendant les recuits. Dans le cas de la vitrocéramique GC7, les spectres d'émissions et les mesures du déclin de luminescence de l'ion Eu3+ montrent bien que l'ion Eu3+ est incorporé dans la phase mayenite formée. En terme d'application, les mesures des coordonnées trichromatiques suggèrent que la dévitrification des verres semble être une technique efficace permettant d'obtenir de nouveaux matériaux luminophores (LED blanches) à émission intensifiée (cas des vitrocéramiques GC34 et G50) et accordable en modifiant leur composition et l'excitation / This work concerns the study of calcium aluminosilicate glass doped with europium and their process of crystallization as glass-ceramics as part of the search for new phosphors for white LED application. We studied three glass samples with different silica contents and have elaborated crystallized glass-ceramics. Characterization of glasses and glass-ceramics was performed by different experimental techniques: thermal analysis, X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The spectroscopic properties of the europium ion in the glass and glass-ceramic synthesized were studied.Control of crystallization of GC34 and GC50 glass-ceramics by X-ray diffraction have been identified two phases, melilite and anorthite. In the case of the GC7 glass-ceramic, a single aluminum calcium phase, mayenite which crystallized predominantly. The study by Raman spectroscopy allowed to follow the evolution of the crystallization during heat treatment in the surface and of glass-ceramics. We have shown that the crystallization process initiate at the surface of the samples and corresponds typically to a heterogeneous nucleation. On the other hand, a comparison with similar natural samples allowed us to validate all the identifications.In the case of GC34 and GC50 glass-ceramics, emission spectra and lifetimes of Eu3+ ion clearly show its incorporation into the new-formed crystalline phases. The Eu3+ ion occupy the Ca2+ sites (CN = 8) in the major mélilite phase of the the GC34 glass-ceramic while, it incorporates the Ca2+ sites (CN = 6 and 7) and Ca2+ (CN = 8) of anorthite and mélilite phases formed in the GC50 glass-ceramic, respectively. These results were confirmed by Fluorescence Line Narrowing (FLN) measurements. The study of emission spectra of the Eu2+ ion allowed highlighting changes during crystallization associated with the reduction of the Eu3+ ions during annealing. In the case of the low silicate GC7 glass-ceramic, emission spectra and lifetimes measurements of the Eu3+ ion show that the Eu3+ ions are incorporated into the mayenite phase. In terms of application, the analyses of the trichromatic coordinates suggest that the glass devitrification appears to be an efficient technique to achieve new white LED phosphor materials with intensified (mainly for GC34 and G50 glass-ceramics) and tunable emission by varying composition and/or excitation

Cette thèse se concentre sur la fabrication de cellule solaire IIIN- V sur substrat de GaP (001) et sur la croissance de couche de GaP sur Si (001). Le but est de réaliser des cellules solaires hautes efficacité sur un substrat à faible coût afin de les intégrer dans des centrales solaire photovoltaïque sous concentration. Les principaux résultats obtenus montrent : - L’importance de l’utilisation d’AlGaP en tant que couche de prénucléation pour annihiler les parois d’antiphase à l’interface GaP/ Si (néfaste pour les propriétés optoélectroniques des dispositifs) - De nombreuses similitude entre la croissance de GaAsN et de GaPN ce qui permet d’élaborer une stratégie afin d’optimiser les propriétés optoélectroniques du GaAsPN - De fortes corrélations entre les propriétés optique et éléctriques dans les nitrures dilués - La réalisation préliminaire d’une cellule solaire monojonction sur GaP ayant un rendement encourageant de 2.25% considérant la faible épaisseur de l’absorbeur dans cette cellule (300 nm) / This thesis focuses on optimizing the heterogeneous growth of IIIN- V solar cells on GaP (001) and GaP nanolayers on Si (001). The goal is to build high efficiency solar cells on low-cost substrate for the realization of concentrated photovoltaic powerplant. The main results shows: - AlGaP as prenucleation layer increase the annihilations of anti-phase boundaries at the GaP/Si interface (harmful for the electronic properties of the devices). - Similarities between the growth of GaAsN and GaPN giving strategies to improve the GaAsPN electrical properties - Clear correlations between the optical and electrical properties of dilute nitride solar cells, giving interesting tools to optimize the growth of those materials using optical measurements. - The realization of a GaAsPN solar cell on GaP with a yield of 2.25%. This results is encouraging given the thin GaAsPN absorber used in this cell

Ces dernières décennies, les couches minces de semiconducteurs nitrures III-V dopés avec des terres rares ont fait l'objet d'un intérêt grandissant et ont donné lieu à de nombreuses études. En raison de leur bande interdite directe, les nitrures III-V constituent des matrices hôtes adéquates permettant la luminescence des terres rares (TR). Ainsi, en combinant les propriétés des III-V et des TR, il est possible d'envisager des applications prometteuses dans le domaine optoélectronique. Dans cette étude, l'erbium (Er) a été choisi en raison de son émission de photons à la fois dans le visible et dans l'infrarouge. Dans ce travail, les films minces d'AlN dopé à l'Er ont été élaborés avec un réacteur expérimental de pulvérisation cathodique réactive magnétron radiofréquence. Pendant le dépôt, une polarisation négative appliquée sur le substrat a permis d'obtenir des films présentant différents types de morphologies cristallines, qui ont été étudiés par diverses techniques de caractérisation telles que l'AFM, les DRX, l'ellipsométrie, le MEB, le MET. Les propriétés de luminescence des films ont été examinées expérimentalement et à l'aide d'un modèle de simulation optique par spectroscopie de photoluminescence (excitation lumineuse). Des mesures expérimentales par spectroscopie de cathodoluminescence (excitation électronique) ont également été réalisées. Le but de cette thèse était d'optimiser le procédé d'élaboration et le matériau et de mieux comprendre l'influence de la morphologie cristalline de la matrice AlN sur l'efficacité de luminescence de l'erbium. L'AlN-Er représente un système modèle et les résultats obtenus pourront être étendus aux autres TR / During the last decades, rare-earth-doped III-V thin films have been the subject of growing interest and the topic of many studies. Because III-V nitrides possess a direct gap, they are suitable host matrices to allow rare-earth (RE) luminescence. Thereby, by combining the III-V and the RE characteristics, it becomes possible to consider promising applications in the optoelectronic field. In this study, erbium (Er) was chosen because of its emission both in the visible and in the infrared range. In this work, Er-doped AlN thin films were prepared in an experimental PVD sputtering magnetron radiofrequency reactor. During the deposition, an applied negative bias on the substrate allowed to obtain different kinds of crystalline morphology of the deposited layers, which were studied by several characterization techniques such as AFM, DRX, ellipsometry, MEB, MET. Luminescence properties of the films were investigated both experimentally and with an optical model by photoluminescence (light excitation) spectroscopy. Experimental measurements by cathodoluminescence (electronic excitation) spectroscopy were also performed. This thesis aimed to optimize the elaboration process and the material and to get a better understanding of the influence of AlN host matrix crystalline morphology on the erbium luminescence efficiency. The AlN:Er system stood as a model system and the obtained results could be extended to the other RE

Dans cette thèse, le développement de nouveaux matériaux organiques-inorganiques pour deux enjeux technologiques majeurs est présenté : (1) le développement de phosphores sans métal pour l'éclairage ; (2) l'évaluation du potentiel de matériaux hybrides contenant des lanthanides comme concentrateurs solaires luminescents. En outre, un autre objectif, de nature fondamentale, est de comprendre l'effet de modifications légères dans le fragment organique de matériaux hybrides (changements de régioisomère, utilisation des thiourées à la place des urées) et de les mettre en forme (des poudres vers les films) pour moduler leurs nanostructures et photoluminescence. Ce manuscrit est divisé en 4 parties : (I) une introduction bibliographique décrivant les concepts de base de cette thèse : les mécanismes de luminescence et les réactions sol-gel sont d'abord décrits. La photoluminescence des sels de lanthanides est introduite. Finalement, les organosilices contenant des sels de lanthanides sont étudiées. (II) La synthèse, les caractérisations et les applications potentielles de différents silsesquioxanes pontés provenant de différents isomères (n,n'-diuréido-2,2'-bipyridine) et contenant des sels de lanthanides ou en l'absence complète de métal, sont décrits. Les propriétés des matériaux provenant des différents isomères sont comparées afin de mieux comprendre la coordination des ions lanthanides. (III) Cette partie s'intéresse à la mise en forme des précurseurs utilisés précédemment pour obtenir les matériaux correspondants sous forme de films minces. Les propriétés de ces dépôts sont comparées à celles des poudres précédentes. (IV) La substitution systématique des groupements urées par des thiourées dans des silsesquioxanes pontés bien connus a été réalisé : (1) Les propriétés structurales de matériaux synthétisés sous différentes conditions et à base de groupements thiourées sont étudiées ; (2) Les propriétés de photoluminescence des matériaux des isomères n,n'-dithiouréido-2,2'-bypiridine sont présentées. / In this thesis, the development of new organic-inorganic materials for two technological challenges is presented : (1) developing metal-free phosphors for solid state lighting ; (2) investigating the potential of lanthanide-containing materials as luminescent solar concentrators. Moreover, a fundamental objective is to understand the effect of minor modifications in the organic fragment of the hybrid materials (changing the regioisomer, using urea or thiourea crosslinks) and of the processing (from powders to films) to modulate their nanostructure and pholuminescence. This manuscript is divided in four parts : (I) a bibliographic introduction describing the basic concepts of this thesis : the luminescence mechanisms and the sol-gel reactions are first described. The photoluminescence of lanthanide salts is introduced ; finally, the organosilicas containing lanthanide salts are studied. (II) The synthesis, characterisations and potential applications of different bulk pristine and lanthanide-containing bridged silsesquioxanes derived from different n,n'-diureido-2,2'-bipyridine isomers are described. The properties of the material derived from the different isomers are compared to get insights into the coordination of the lanthanide ions. (III) The third part deals with the processing of the former sols to obtain the corresponding materials as thin films ; the properties of these coatings and of the formerly obtained powders are compared. (IV) The systematic substitution of urea by thiourea groups in the composition of well-known urea cross-linked bridged silsesquioxanes is performed. This fourth part is divided in two parts : (1) the structural features of simple thiourea-based materials synthesised under different conditions are investigated ; (2), the photoluminescence properties of n,n'-dithioureido-2,2'-bypiridine isomers are studied.

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Des aluminates de formulation Ln3Al5O12 (Ln=Y ou Gd) purs ou dopés par les ions Tb3+ et / ou Ce3+ ont été synthétisés sous forme de poudres et de films minces à partir de précurseurs alcoxydes grâce au procédé sol-gel. Les études réalisées par DRX, spectroscopies IR et Raman ont montré que ces phases sont obtenues pures dès 800°C contre 1500°C par les voies de céramisation classiques. Les analyses EXAFS, SAXS et RMN 27Al menées sur les sols, xérogels et poudres cristallisées ont mis en évidence une organisation structurale plus précoce de la matrice aluminate en présence de l'acétylacétone, utilisé comme agent chélatant. Les propriétés optiques des différents échantillons ont été étudiées : les taux optimaux d'ions dopants ont été déterminés sous exitations VUV, UV et bleue. L'ensemble de ce travail montre clairement les potentialités d'applications de ces matériaux dans une nouvelle génération de lampes propres à excitation plasma ou basées sur la technologie des DELs

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