O confinamento da luz em escala nanométrica, em especial para estruturas metálicas, é conferido graças à ação coletiva dos elétrons livres desses materiais que ao entrarem em ressonância com a frequência da radiação incidente geram campos intensos o suficiente para permitir que uma parcela da luz atravesse as cavidades que formam as estruturas, desafiando os limites clássicos da óptica impostos pela teoria escalar da difração. Designa-se a tal ação coletiva dos elétrons na literatura como plasmons polaritons de superfície, ou SPP da sigla em inglês para Surface Plasmon Polariton, conceito há muito estudado em Física do Estado Sólido. Porém, somente a algumas décadas com o domínio sobre a fabricação de estruturas em escala nanométrica, tornou-se possível a análise experimental e a contribuição de SPP na observação de fenômenos em nano-óptica. A ressonância de plasmons em nanoestruturas confere considerável sensibilidade ao índice de refração dos meios próximos a elas, o que abre mais um canal para estudos no campo da interação entre radiação-matéria. Dentre eles há interação de plasmons com íons de terras-raras (ITR). Estes últimos por apresentarem bandas de absorção estreitas e bem definidas, são excelentes opções como elementos na análise da interação destes com os SPPs gerados nas nanoestruturas. Uma maneira de estabelecer o contato direto entre o campo plasmônico e os ITRs é incorpora-los ao substrato no qual o filme metálico onde as nanoestruturas são fabricadas é depositado. Vidros óxidos à base de Telúrio e Germânio reúnem condições favoráveis para esse propósito, por terem alta solubilidade às terras-raras, janela de transparência relativamente larga (0,4 - 5μm) podendo ser analisados desde o visível até o infravermelho e baixa energia de fônon. O presente trabalho consistiu no esforço de criar uma plataforma para estudo direto de interações SPP com o ITR a partir da nano fabricação via técnica de feixe de íons e medir a luz emitida por processo de conversão ascendente do Érbio diretamente pela nanoestrutura devido ao decaimento do íon em SPP e na consequente remissão através da transmissão óptica extraordinária (TOE). A partir de tais medidas há fortes evidências de que a radiação emitida pelo Érbio apresenta a mesma polarização do campo plasmônico originado nas nanoestruturas. / The confinement of light at the nanoscale, especially for metallic structures is achieved due the collective action of free electrons from the material that resonate with the frequency of the incident radiation, generating enhanced fields enough to allow a portion of the light to cross the cavities that form such structures, challenging the classical limits of optics imposed by the scalar diffraction theory. Such collective action of the electrons is known in the literature as surface plasmon polariton (SPP), a concept which has already been studied in Solid State Physics, but only a few decades ago, with the development of fabrication of nanoscale structures has enabled the experimental analysis and the contribution due SPP on the observation of nanoptics phenomena. The plasmon resonance from nanostructures offers considerable sensitivity to the refractive index from the media that surround them, which opens another topic in matter-radiation interaction. There are interactions of plasmons with rare earth ions (REI). The latter class of emitters, presents narrow and well-defined absorption bands, which make them excellent options as probes to the analysis of interaction with the SPPs generated in the nanostructures. To establish direct contact between the plasmonic field and the REIs consists in embedding them into the substrate for the metallic thin film where the structures are assembled. Tellurium and Germanium oxide based glasses gather the conditions for this purpose, because they present high solubility to rare earths, a relatively wide transparency window (0.4 - 5 μm), which enables spectral analysis from visible to infrared, and low phonon energy. The present work consisted in the effort to create a direct platform to study the SPP interactions with the REI from the milling of the samples by ion beam technique; to measure the light emitted from the Erbium\'s upconversion process directly through the nanostructure due the ion decay to SPP and in the consequent remission by extraordinary optical transmission (EOT). From such measurements there are strong evidences that the radiation emitted by Erbium ions presents the same polarization from the plasmonic field originated in nanostructures.

Submitted by FRANCINE BETTIO COSTA null (franbettiocosta@gmail.com) on 2016-06-24T00:23:52Z No. of bitstreams: 1 Francine Bettio Costa - Tese de Doutorado.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-28T14:49:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 costa_fb_dr_ilha.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-28T14:49:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 costa_fb_dr_ilha.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) Previous issue date: 2016-03-22 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Pró-Reitoria de Pós-Graduação (PROPG UNESP) / A busca por novas fontes renováveis de energia tem se tornado de grande apelo devido à necessidade de se reduzir os impactos ambientais. Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopados com Nd3+ foram preparados em diferentes atmosferas, i.e., uma atmosfera ambiente e outra rica em O2, para investigação da influência dos grupos hidroxilas (OH) nas propriedades espectroscópicas de amostras com diferentes concentrações de Nd3+. A dependência com a concentração indicou que a transferência de energia do íon Nd3+ para o grupo OH foi desprezível e que a eficiência quântica luminescente do nível 4F3/2 diminuiu com o aumento da concentração de Nd3+. Posteriormente, vidros TW co-dopados com Nd3+ e Yb3+ foram preparados em atmosfera ambiente para investigação da correlação entre os íons Yb3+ e os mecanismos de conversão descendente de energia (CDE). Os resultados mostraram que a luminescência, oriunda do nível 4F3/2, diminuiu com o aumento da concentração de íons Yb3+. Simultaneamente, observou-se um aumento correspondente na emissão do Yb3+ e uma redução no calor gerado pela amostra. A transferência de energia Nd3+ → Yb3+ foi observada qualitativamente e a eficiência dessa transferência foi avaliada quantitativamente por valores do tempo de vida. Esses resultados indicam que o vidro TW co-dopado com íons Nd3+ e Yb3+ é um sistema com potencial para ser usado como material conversor descendente de energia aplicado sobre as células fotovoltaicas de Si-c. / The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and in another rich in O2 to investigate the influence of the hydroxyl (OH) groups in the spectroscopic properties of samples with different concentrations of Nd3+. The results showed that the energy transfer from Nd3+ ion to the OH group was negligible. The concentration dependency indicated that the energy transference from the Nd3+ ion to the OH group was negligible. In addition, the luminescent quantum efficiency of 4F3/2 level decreased with increasing of Nd3+ concentration. Subsequently, Nd3+ and Yb3+ co-doped TW glasses were prepared in ambient atmosphere to investigate the correlation between Yb3+ ions and down-conversion (DC) mechanisms. The results showed that the luminescence of the 4F3/2 decreased as the concentration of Yb3+ was increased. Simultaneously, it was observed a corresponding increase in the emission of the Yb3+ and a reduction in the generated heat by the sample. The Nd3+ → Yb3+ energy transfer was observed qualitatively and the efficiency of such transfer was quantitatively evaluated by lifetime values. The results indicate that the co-doped TW glasses by Nd3+ and Yb3+ are systems with potential to be used as down-converter material applied to the c-Si photovoltaics cells.

Orientador: João Carlos Silos Moraes / Abstract: The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A busca por novas fontes renováveis de energia tem se tornado de grande apelo devido à necessidade de se reduzir os impactos ambientais. Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

O confinamento da luz em escala nanométrica, em especial para estruturas metálicas, é conferido graças à ação coletiva dos elétrons livres desses materiais que ao entrarem em ressonância com a frequência da radiação incidente geram campos intensos o suficiente para permitir que uma parcela da luz atravesse as cavidades que formam as estruturas, desafiando os limites clássicos da óptica impostos pela teoria escalar da difração. Designa-se a tal ação coletiva dos elétrons na literatura como plasmons polaritons de superfície, ou SPP da sigla em inglês para Surface Plasmon Polariton, conceito há muito estudado em Física do Estado Sólido. Porém, somente a algumas décadas com o domínio sobre a fabricação de estruturas em escala nanométrica, tornou-se possível a análise experimental e a contribuição de SPP na observação de fenômenos em nano-óptica. A ressonância de plasmons em nanoestruturas confere considerável sensibilidade ao índice de refração dos meios próximos a elas, o que abre mais um canal para estudos no campo da interação entre radiação-matéria. Dentre eles há interação de plasmons com íons de terras-raras (ITR). Estes últimos por apresentarem bandas de absorção estreitas e bem definidas, são excelentes opções como elementos na análise da interação destes com os SPPs gerados nas nanoestruturas. Uma maneira de estabelecer o contato direto entre o campo plasmônico e os ITRs é incorpora-los ao substrato no qual o filme metálico onde as nanoestruturas são fabricadas é depositado. Vidros óxidos à base de Telúrio e Germânio reúnem condições favoráveis para esse propósito, por terem alta solubilidade às terras-raras, janela de transparência relativamente larga (0,4 - 5μm) podendo ser analisados desde o visível até o infravermelho e baixa energia de fônon. O presente trabalho consistiu no esforço de criar uma plataforma para estudo direto de interações SPP com o ITR a partir da nano fabricação via técnica de feixe de íons e medir a luz emitida por processo de conversão ascendente do Érbio diretamente pela nanoestrutura devido ao decaimento do íon em SPP e na consequente remissão através da transmissão óptica extraordinária (TOE). A partir de tais medidas há fortes evidências de que a radiação emitida pelo Érbio apresenta a mesma polarização do campo plasmônico originado nas nanoestruturas. / The confinement of light at the nanoscale, especially for metallic structures is achieved due the collective action of free electrons from the material that resonate with the frequency of the incident radiation, generating enhanced fields enough to allow a portion of the light to cross the cavities that form such structures, challenging the classical limits of optics imposed by the scalar diffraction theory. Such collective action of the electrons is known in the literature as surface plasmon polariton (SPP), a concept which has already been studied in Solid State Physics, but only a few decades ago, with the development of fabrication of nanoscale structures has enabled the experimental analysis and the contribution due SPP on the observation of nanoptics phenomena. The plasmon resonance from nanostructures offers considerable sensitivity to the refractive index from the media that surround them, which opens another topic in matter-radiation interaction. There are interactions of plasmons with rare earth ions (REI). The latter class of emitters, presents narrow and well-defined absorption bands, which make them excellent options as probes to the analysis of interaction with the SPPs generated in the nanostructures. To establish direct contact between the plasmonic field and the REIs consists in embedding them into the substrate for the metallic thin film where the structures are assembled. Tellurium and Germanium oxide based glasses gather the conditions for this purpose, because they present high solubility to rare earths, a relatively wide transparency window (0.4 - 5 μm), which enables spectral analysis from visible to infrared, and low phonon energy. The present work consisted in the effort to create a direct platform to study the SPP interactions with the REI from the milling of the samples by ion beam technique; to measure the light emitted from the Erbium\'s upconversion process directly through the nanostructure due the ion decay to SPP and in the consequent remission by extraordinary optical transmission (EOT). From such measurements there are strong evidences that the radiation emitted by Erbium ions presents the same polarization from the plasmonic field originated in nanostructures.

Orientador: Luiz Carlos Barbosa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-08T19:58:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Osorio_SergioPauloAmaral_D.pdf: 8946065 bytes, checksum: 9771cf8636d67bee8eb1b92d030d0d13 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho três tipos de vidro telurito são estudados, fabricados e caracterizados, tendo em vista a fabricação de fibras ópticas de cristal fotônico. Basicamente, dois processos de fabricação de fibras de cristal fotônico foram considerados: 1) Empilhamento e puxamento, e 2) Extrusão. Os vidros teluritos fabricados são: 0,77TeO2¿0,23WO3; 0,75TeO2¿0,20Li2O¿0,05TiO2 e 0,68TeO2¿0,155ZnO¿0,05Li2CO3¿0,015Bi2O3¿0,095CsCl (mol%), dos tipos binário, ternário e quinqüenário, respectivamente, os quais foram dopados com Er2O3. As caracterizações efetuadas foram: a) Medida do índice de refração, 2) Fotoluminescência, 3) Absorbância, 4) Tempo de vida dos íons de Érbio, 5) Análise Térmica Diferencial, 6) Análise termogravimétrica e, 7) Viscosidade. Como dito anteriormente, pode-se fabricar fibras microestruturadas de telurito por extrusão, ou pelo método de empilhamento e puxamento. A extrusora disponível no laboratório de materiais vítreos foi feita para extrudar materiais polímeros. Nossa tentativa de utilizá-la para vidros telurito não foi bem sucedida. Porém, pudemos tirar algum proveito desta experiência para futuros projetos. Os tubos de vidro telurito utilizados no método de empilhamento e puxamento foram fabricados tanto por sucção vertical do vidro fundido, quanto por rotação horizontal dos tubos em chama. No primeiro método, o diâmetro interno dos tubos de revestimento diminuiu de baixo para cima, devido ao efeito da gravidade, fazendo com que o preenchimento dos mesmos com tubos capilares fosse inadequado, ou seja, a secção transversal da fibra apresentou espaços vazios não preenchidos pelos capilares. No segundo método, o diâmetro interno dos tubos de revestimento não apresentou variação significativa ao longo de seu comprimento, possibilitando, assim, um melhor preenchimento dos mesmos por tubos capilares. Embora as fibras fabricadas com tubos feitos por rotação horizontal em chama apresentem boa geometria de secção transversal, a contaminação do vidro pela chama acarreta um aumento nas perdas de potência óptica dos modos guiados. Este efeito foi eliminado pela utilização de centrifugação em um forno radiante. Verificamos, também, que as fibras microestruturadas com somente um anel de capilares ao redor do núcleo apresentam grandes perdas por confinamento. / Abstract: In this work, three types of tellurite glasses are synthesized and characterized, aiming the manufacturing of photonic crystal fibers or microstructured fibers. Basically, two types of manufacturing processes are considered: 1) Stacking and draw, and 2) Extrusion. The tellurite glasses are: 0,77TeO 2¿0,23WO3; 0,75TeO2¿0,20Li2O¿0,05TiO2 e 0,68TeO2¿ 0,155ZnO¿0,05Li2C3¿0,015Bi2O3¿0,095CsCl (mol%), composed by two, three and five types of oxides, respectively, and Erbium oxide. The glasses were characterized by: a) index of refraction, 2) photoluminescence, 3) absorbance, 4) Erbium ions lifetime, 5) Differential Thermal Analysis, 6) Thermo gravimetric Analysis, and 7) Viscosity. The extrusion machine of the laboratory was devised for polymers. Nevertheless, we tried with telluride glass but without success. The tellurite glass tubes used for the stack and draw process were manufactured by vertical suction of the melted glass as well as by horizontal rotation of the tubes in flame. For the vertical suction method, the tellurite tube inner diameter shows a taper feature from the bottom to the top of the tube, due to the gravity effect, that makes the jacket tube unsuitable for capillary filling, that is, the fiber transversal section shows empty spaces that could not be filled with capillaries. For the second method, the telluride jacket tube inner diameter do not shows a significant variation with length, so it was possible to better fill it with the capillaries. Although the fibers made with tubes manufactured by horizontal rotation in flame shows good transversal geometry, the contamination of the glass by the flame gases brought about great losses for optical guided modes. The burner was replaced by a radiant oven. We verified, also, that micro structured fibers with only one ring of capillaries around the nucleus shows great confinement loss arising from the leaky nature of the modes / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Física