No description available.

Les cristaux dopés par des ions de terre rare (TR) apparaissent prometteurs pour des applications dans le traitement quantique de l'information. Parmi ces matériaux, les cristaux massifs d'Eu3+:Y2O3 présentent un long temps de cohérence optique (T2), un paramètre fondamental pour les technologies quantiques. Ce travail de thèse porte sur l'étude de ce système à l'échelle nanométrique, ce qui pourrait permettre de développer des systèmes hybrides dans lesquels les TR sont couplées à d'autres systèmes quantiques. Des nanocristaux de différentes tailles ont été élaborés par précipitation homogène. La largeur optique inhomogène diminue avec des recuits à haute température et peut atteindre les valeurs mesurées dans des cristaux massifs. Une corrélation quasi-linéaire avec les largeurs de raie Raman a aussi été observée. Les temps de vie de population sont plus longs que dans les échantillons massifs et peuvent être modélisés par un indice de réfraction effectif. Les T2 optiques ont ensuite été déterminés par écho de photon et creusement de trou spectral. Nous avons mesuré un temps de cohérence de 7.1 µs à 1.7 K dans un échantillon dopé à 0.5 % en Eu3+, la valeur la plus élevée observée pour un nanocristal. Une étude en température et de la diffusion spectrale indique que le déphasage est dominé par des fluctuations de la structure et des basculements de spins. / Rare earth (RE) doped crystals are promising materials for quantum information processing (QIP). In particular, Eu3+:Y2O3 bulk crystals present long optical coherent lifetimes (T2), a fundamental parameter for QIP. In this thesis, we investigated this system at the nanoscale, which could be used to build hybrid devices where RE are coupled to other quantum systems. This work focuses on the development of Eu3+: Y2O3 particles with sub-wavelength size and on the static and dynamical contributions to Eu3+ optical linewidth. Systems with different particle and crystallite sizes were prepared using homogeneous precipitation. Optical inhomogeneous linewidths were found to decrease with high temperature annealing and reached values close to those of bulk crystals, showing that low defect concentrations can be obtained. A quasi-linear correlation with Raman linewidths was also observed. T1 population decays were measured by fluorescence and found longer than in the bulk, in good agreement with a model based on an effective refractive index model. Optical T2 were investigated by photon echo (PE) and holeburning techniques. We observed a coherence lifetime of 7.1 µs at 1.7 K in a 0.5 % Eu3+ doped sample, the highest value reported for any nanocrystal. Temperature dependence and spectral diffusion studies indicate that structure fluctuations and spin flips dominate dephasing.

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.

Lanthanide chelates are effective agents for improving contrast in MR images. Optimizing the relaxation of inner sphere water molecules is a common focus of research in this field. However, the efforts to design an optimal contrast agent have commonly over-looked the relationship of water position and water exchange kinetics. This work explores structural conformation, the impact of very fast water exchange kinetics on hydration, and differing tumbling rates for regioisomers of a number of lanthanide chelates. We have grown crystals of LnDOTMA and obtained structural data by X-ray diffraction that provide a picture of the chelate during water exchange and demonstrate that chelate conformation is associated with water position. We observe increased population of the major isomer with increased water exchange rates in variable temperature 1H NMR studies of HoDOTMA. This suggests that water position and water exchange rates are linked. We therefore recommend that accurate water exchange data be included in the application of the SBM equations when interpreting experimental data. As further support of this recommendation, we measured water exchange kinetics with 17O NMR for the rigid GdNB-DOTMA chelates. These results were used in the fitting of 1H NMRD profiles to establish tumbling parameters. Similar results were also observed in the less rigid GdNB-DOTA, establishing the first identification of regioisomers in these chelates and their biphenyl derivatives. Binding studies of GdBP-DOTA indicate that the side isomer is a more effective agent, but it is the minor species in solution. Our work herein shows that predicting efficacy of contrast agents with SBM equations requires a more complete consideration of chelate hydration (q/r6).

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

Ces dernières années, la sécurité civile et la lutte contre le terrorisme sont devenus des enjeux primordiaux, induisant un besoin croissant en techniques de détection de différentes menaces. Dans ce cadre, le CEA participe au développement de capteurs chimiques de gaz et des matériaux sensibles associés. Il existe aujourd'hui un besoin en matériaux sensibles robustes pour la détection des vapeurs de H2O2 car la durée de vie des composés fluorescents organiques existants est courte. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans cette optique et portent sur l'élaboration d'un matériau sensible inorganique composé de nanoparticules fluorescentes de vanadates de terres rares synthétisées par voie sol-gel. Des voies de synthèse innovantes, avec un contrôle fin des étapes de nucléation et de cristallisation, ont permis d'atteindre des performances importantes comme la détection sélective du gaz à des teneurs inférieures au ppm, en garantissant une durée de vie du matériau de plusieurs mois. De plus, un contrôle précis du pH assure une bonne reproductibilité des synthèses. Enfin, une excellente photostabilité des particules a été atteinte via l'intégration d'une étape de traitement au four micro-ondes dans la synthèse. Les particules ont été caractérisées par spectrométrie photoélectronique X, par résonance paramagnétique électronique ou encore par thermoluminescence pour mieux comprendre le mécanisme de quenching dynamique de la fluorescence des nanoparticules YVO4:Eu associé à l'exposition à H2O2. Il semble impliquer une action de H2O2 sur des lacunes d'oxygène. Un transfert d'énergie aurait lieu à partir de l'état excité des ions Eu3+ vers les défauts, empêchant donc l'émission. / Over the past few years, civil security and the fight against terrorism have become critical issues, leading to a growing need for techniques to detect different threats and especially gas. In this context, the CEA is actively involved in the development of chemical gas sensors and in the elaboration of their sensitive materials. Due to the short lifetime of fluorescent organic materials, a need for robust sensitive materials exists. In light of these issues, this project focuses on the development of a sensitive inorganic material composed of fluorescent nanoparticles of rare earths vanadates synthesized by the sol-gel process. Innovative syntheses, with a fine control of the nucleation and crystallization steps, enable to reach significant performance such as the selective detection of the target gas at sub ppm levels, while guaranteeing a material lifetime of several months. In addition, a precise pH control ensures a good reproducibility of the syntheses. Finally, an excellent photostability of the particles was obtained by incorporating a microwave treatment into the synthesis.The particles were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Electron paramagnetic resonance (EPR) or thermoluminescence to better understand the mechanism of the detection of H2O2 vapors by the YVO4:Eu nanoparticles. A dynamic quenching of the particles fluorescence is associated with exposure to hydrogen peroxide. It seems to imply an action of H2O2 on the defects (such as oxygen vacancies), resulting in a transfer of energy from the excited state of Eu3+ ions to the defects, thus preventing the fluorescence emission.

Les verres de chalcogénures sont développés en raison de leurs propriétés de transparences dans l'infrarouge. Il est par exemple possible de fabriquer des fibres optiques pour des fonctions capteurs fonctionnant dans le moyen infrarouge. L'objet de la présente thèse consiste à étudier le comportement métastable des verres de chalcogénures lorsqu'ils sont soumis à des contraintes particulières : thermiques, rayon γ, ajout d'élément déstabilisant. Des compositions dopées par des terres rares ont également étudiées pour développer des sources fonctionnant dans le moyen IR. / Chalcogenide glasses are developed because of their properties of transparency in the infrared. For example it is possible to manufacture optical fiber or planar wavguide for sensing in the mid-infrared. The purpose of this thesis is to study the metastable behavior of chalcogenide glasses when subjected to specific constraints: thermal behavior, γ ray irradiation, addition of destabilizing elements. Compositions doped with rare-earth have also been also studied in order to develop sources operating in the mid-infrared range.

The major topics discussed are the phosphorescence sensitization in the lanthanides via energy transfer and in the organics by heavy atom effects. The f-f transitions in lanthanides are parity forbidden and have weak molar extinction coefficients. Upon complexation with the ligand, ttrpy (4'-p-Tolyl-[2,2':6',2"]-terpyridine) the absorption takes place through the ligand and the excitation is transferred to the lanthanides, which in turn emit. This process is known as "sensitized luminescence." Bright red emission from europium and bright green emission from terbium complexes were observed. There is ongoing work on the making of OLEDs with neutral complexes of lanthanide hexafluoroacetyl acetonate/ttrpy, studied in this dissertation. Attempts to observe analogous energy transfer from the inorganic donor complexes of Au(I) thiocyanates were unsuccessful due to poor overlap of the emissions of these systems with the absorptions of Eu(III) and Tb(III). Photophysics of silver-aromatic complexes deals with the enhancement of phosphorescence in the aromatics. The heavy atom effect of the silver is responsible for this enhancement in phosphorescence. Aromatics such as naphthalene, perylene, anthracene and pyrene were involved in this study. Stern Volmer plots were studied by performing the quenching studies. The quenchers employed were both heavy metals such as silver and thallium and lighter metal like potassium. Dynamic quenching as the predominant phenomenon was noticed.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'impact de la nanostructuration de la matière sur le comportement des fibres dopées Erbium en environnement radiatif tel que l'Espace. Cette étude est motivée par le fait qu'il n'existe pas de fibre dopée Erbium qualifiée pour le spatial, rendant l'AOFD indisponible pour ces applications, réduisant fortement l'intérêt de l'ensemble de la technologie WDM pour les satellites. Ainsi nous avons testé plusieurs fibres basées sur des technologies différentes dans le but d'évaluer leurs comportements sous radiations gamma. Nous avons ainsi défini un critère objectif pour la sélection des fibres dopées Erbium, et avons montré des éléments permettant de durcir des fibres co-dopées Aluminium en se basant uniquement sur des paramètres de conception. Ainsi, nous avons démontré une fibre durcie aux radiations à base de nanoparticules de silice dopées Erbium, montrant une perte de puissance de l'ordre de 1 dB en fin de mission typique d'un satellite. L'accent a également été mis sur la modélisation de l'AOFD en proposant un modèle évolué prenant en compte des effets non linéaires liés à la complexité de la spectroscopie de l'ion Erbium. Ce modèle a été complété par une prise en compte de l'effet des irradiations et de la guérison optique en utilisant un modèle de proche de celui développé par R. Chen. Nous avons pu noter la grande importance de l'effet de la guérison optique sur les performances de l'AOFD en fin de vie. / This thesis focuses on the impact of nanostructuration on the performance of Erbium Doped Fiber in severe environment like Space. This study is motivated by the fact that no on-the-shell Erbium Doped Fiber can satisfy the space requirement, disabling the availability of the AOFD and stongly limiting the interest of the WDM technology for satellites. Several fiber based on different technologies have been tested in order to check their behavior under gamma radiations. We have defined an objective criterion for the selection of erbium doped fibers, and showed elements for hardening aluminum co-doped fibers, based solely on design parameters. In this way, we brought to the fore a radiation hardened fiber, based on silica nanoparticles, exhibiting a power decrease of 1 dB after a typical space mission. We also focused on EDFA modeling by proposing an evolved model taking into account non-linear effects due to the complex spectroscopy of Erbium. This model is completed by including irradiation effects thanks to a model such as Chen's one. The photobleaching effect that has been found to be strong is also considered.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la (co)polymérisation syndiosélective du styrène catalysée par des complexes de métaux du Groupe 3. La première partie est consacrée à l’optimisation des performances catalytiques de systèmes neutres de type {Cp/Flu}. Une série de précurseurs ansa-lanthanidocènes a été synthétisée et testée en homopolymérisation du styrène et en copolymérisation styrène-éthylène. Il a été montré que la nature de la substitution du motif fluorényle, la nature du centre métallique ainsi que les conditions de polymérisation ont une influence significative sur la productivité des catalyseurs. En conditions optimisées, des productivités maximales de 4,500 kg(sPS)·mol⁻¹·h⁻¹ et 5,430 kg(sPSE)·mol⁻¹·h⁻¹ ont été obtenues, démontrant la robustesse sans précédent de ces systèmes catalytiques en conditions extrêmes (Tpolym jusqu’à 140 °C et charge en monomère > 100,000). De nouveaux co- et terpolymères styrène-myrcène et styrène-myrcène-éthylène contenant des séquences de polystyrène syndiotactique ont également été synthétisés. La deuxième partie de ce travail porte sur le développement de nouveaux catalyseurs cationiques. Très peu des composés ciblés ont été isolés de par la réactivité déroutante entre les pro-ligands et les précurseurs ou la faible stabilité thermodynamique des produits. De plus, les productivités catalytiques des composés qui ont été isolés se sont avérées assez faibles. / The work presented in this thesis manuscript focuses on the syndioselective (co)polymerization of styrene catalyzed by Group 3 catalysts. The first part is dedicated to the optimization of the catalytic performances of neutral {Cp/Flu} systems. A series of new allyl ansa-lanthanidocenes was synthesized and explored in styrene and styrene-ethylene (co)polymerizations. It is shown that the substitution of the fluorenyl moiety as well as the nature of the metal center and the polymerization conditions exert a strong influence on the catalyst productivity. Under optimized conditions, maximum productivities of up to 4,500 kg(sPS)·mol⁻¹·h⁻¹ and 5,430 kg(sPSE)·mol⁻¹·h⁻¹ were achieved, highlighting the unprecedented robustness of those catalytic systems under drastic conditions (Tpolym up to 140 °C and monomer : catalyst ratios > 100,000). New styrene-myrcene(-ethylene) co- and terpolymers containing syndiotactic polystyrene sequences were also synthesized. The second part of the study was focused on the development of new cationic catalysts. Only a short series of compounds was successfully isolated among the targeted ones, because of unclear reactivity of pro-ligands and metal precursors and/or low thermodynamic stability of the products. The new isolated compounds were also used in styrene homopolymerization affording unexpectedly poor performances.