Este trabalho apresenta a preparação, caracterização e estudos sobre as propriedades de fotoluminescência dos complexos de coordenação a partir de β-dicetonatos e salicilatos de terras raras trivalentes (βdicetonatos = acac- e tta-; salicilatos = Hsal- e TR3+ = Sm3+, Eu3+, Gd 3+e Tb3+) dopados nos polímeros PHB (poli3hidroxibutirato) e PMMA (polimetilmetacrilato). Os sistemas poliméricos foram caracterizados por meio das técnicas de microanálises de CHN, titulação complexométrica com EDTA, espectroscopia de absorção na região do infravermelho, análises termogravimétricas TGA/DTG e difratometria de raios X (método do pó). Os dados de espectroscopia no IV evidenciaram a ocorrência da interação entre as matrizes poliméricas PHB e PMMA com os complexos de β-dicetonatos e salicilatos de TR.3+ As análises termogravimétricas TGA/DTG sugeriram o caráter anidro na maioria dos sistemas poliméricos dopados e apresentaram uma diminuição de termoestabilidade com o aumento da dopagem. Os difratogramas de raios X evidenciaram que os filmes poliméricos são semicristalinos e que cada uma das séries apresenta perfis espectrais semelhantes. A cristalinidade dos sistemas aumentou em função da porcentagem de dopagem e, ao mesmo tempo, mantémse independente da variação do íon TR3+ ou ligante de coordenação. Foram observados nos espectros de excitação dos complexos de TR3+ dopados nos polímeros PHB e PMMA supressão de luminescência das bandas finas oriundas das transições 4f4f proveniente dos íons TR3+. Os espectros de emissão dos sistemas PHB e PMMA dopados com os complexos de Gd3+, utilizadas técnicas do estado estacionário e resolvido no tempo, evidenciaram que os estados tripletos T do ligante tta mostraramse mais ressonantes com os níveis excitados 5D0 do íon Eu3+ e 4G5/2 do Sm3+. Por outro lado, os estados T dos ligantes acac e Hsal estão mais ressonantes com o nível emissor 5D4 do íon Tb.3+ Com base nos espectros de emissão dos sistemas PHB e PMMA dopados com complexos de Sm3+, Eu3+ e Tb3+ apresentaramse bandas características das transições intraconfiguracionais oriundas dos íons Sm3+ (4G5/2→6H5/2→11/2), Eu3+ (5D0→7FJ, J = 0—6) e Tb3+ (5D0→7FJ, J = 0—6) exibindo cores de emissões vermelhaalaranjada, vermelha e verde, respectivamente. Para a maioria dos filmes dopados houve supressão de luminescência em função do aumento da concentração da dopagem. As propriedades fotoluminescentes foram investigadas a partir dos dados espectrais dos sistemas PHB e PMMA dopados com complexos hidratados que mostraram, principalmente, bandas finas oriundas das transições 5D0&#85947F0—4 (Eu3+), dominados pela transição hipersensível 5D0—7F2 (~612 nm) indicando que íon Eu3+ encontrase em um ambiente químico não centrossimétrico. Os filmes PHB:Eu(tta)3 e PMMA:Eu(tta)3 apresentaram maiores valores de Ω2, sugerindo que o íon Eu3+ localizase em um ambiente químico mais polarizável. Os maiores valores de eficiência quântica de emissão do nível emissor 5D0 (η) foram para os filmes poliméricos dopados com o complexo [Eu(tta)3(H2O)2]. As cores das emissões dos sistemas poliméricos sintetizados neste trabalho possibilitam aplicações em sistemas tricolor, visto que suas emissões correspondem às cores primárias vermelho (Eu3+), azul (Gd3+) e verde (Tb3+). Os filmes PMMA:Gd(Hsal)3, apresentaram altas intensidades de emissão oriundas das transições T1→S0 do ligante salicilato, emitindo cor azul a temperatura ambiente (298 K). As matrizes poliméricas desempenham papéis essenciais nos processos de sensibilização luminescente dos sistemas contendo Eu3+ e Tb3+ e, portanto, atuam como Dispositivos Moleculares Conversores de Luz (DMCLs) / This work presents the preparation, characterization and studies of photoluminescence properties based on trivalent rare earth coordination complexes of βdiketonates and salicylates (β-diketonates = acac- and tta-; salicylates = Hsal- and RE3+ = Sm3+, Eu3+, Gd3+ and Tb3+) doped into polymers PHB (poly3hydroxybutyrate) and PMMA (polymethylmethacrylate). The polymer systems were characterized using techniques of CHN microanalysis, complexometric titration with EDTA, infrared absorption spectroscopy, thermogravimetric analysis TGA/DTG and Xray powder diffraction. Data from the IR spectroscopy revealed the occurrence of interaction between the PHB and PMMA polymer matrix with the RE3+ complex of βdiketonates and salicylates. The thermogravimetric analysis TGA/DTG suggested anhydrous character in most doped polymer systems and showed a decrease of thermal stability with increasing doping content. The Xray diffraction study showed that the polymer films are semicrystalline and each series presents spectral profiles similar to each other. The crystallinity of the polymeric systems increased according to the doping percentage and, at the same time, maintained independent to the alteration of RE3+ ion or the coordinated ligand. It was observed in the excitation spectra of PHB and PMMA polymer systems doped with RE3+-complexes luminescence quenching of narrow bands arising from the 4f4f transitions of RE3+ ions. In the emission spectra of PHB and PMMA systems doped with Sm3+, Eu3+ and Tb3+ complexes, characteristic emission bands arising from intraconfigurational transitions were observed from the ions Sm3+ (4G5/2→6H5/2,-11/2), Eu3+ (5D0→7FJ, J = 0-6) and Tb3+ (5D4→7FJ, J = 6-0), exhibiting orangered, red and green colour emission, respectively. Most of the doped films displayed concentration quenching of luminescence. Photoluminescence properties were investigated based on the spectroscopic data obtained for systems of PHB and PMMA doped with hydrated complexes. Particularly, emission bands arising from the 5D0→7F0-4 transitions (Eu3+) were dominated by the hypersensitive 5D07F2 transition (~612 nm), indicating that the Eu3+ ion is found in a noncentrosymmetric chemical environment. PHB:Eu(tta)3 and PMMA:Eu(tta)3 films showed high Ω2 values, suggesting that the Eu3+ ion is located in a more polarizable chemical environment. The highest values of emission quantum efficiency (η) of the 5D0 emitting level were found with those polymer films doped with [Eu(tta)3(H2O)2] complex. The emission colours of polymer systems synthesized in this work enabled their potential applications in fullcolour displays, since their emissions are the primary colours: red (Eu3+), blue (Gd3+) and green (Tb3+). The PMMA:Gd(Hsal)3 films exhibits intense blue colour emission arising from the T1→S0 transition of the salicylate ligand at room temperature (298 K). The polymer matrix performs an essential role in the luminescent sensitization processes for systems containing Sm3+, Eu3+, Gd3+ and Tb3+, hence the overall systems act as Light Conversion Molecular Devices (LCMDs)

In HIOS-Strukturen, die auf einem Quantengraben und einer angrenzenden organischen Deckschicht basieren, wurde eine effiziente Umwandlung von Wannier-Exzitonen in Frenkel-Exzitonen mittels resonantem Förster Energietransfer (FRET) demonstriert. Das hier verwendete Design besteht aus einem spiro-annulierten Quarter-phenyl (L4P-SP3), das auf einen ZnO-Quantengraben (SQW) aufgewachsen wurde, um inkohärente Kopplung zu erreichen. Mittels optischer Spektroskopie haben wir demonstriert, dass diese hybriden Strukturen Energietransfer vom SQW zu den organischen Molekülen mit einer Effizienz von bis zu 77% zeigen. Allerdings zeigen UPS-Messungen eine typ-II-artige Energieniveau-Anpassung zwischen ZnO und der molekularen Schicht, die zu einem sehr effizienten Ladungstrennungsvorgang (ηCT=0.9) führt, der die molekulare Emission unterdrückt. Die erste beruht auf einer schnellen und hocheffizienten Energietransfer-Kaskade: nach der ersten Transferstufe wird die Anregungsenergie von der hybriden Grenzfläche weggeleitet, indem eine zweite Energietransferstufe eingeführt wird, bevor die Dissoziation der Exzitonen an der Grenzfläche statt-finden kann. Wir verwenden Sexiphenyl, L6P als endgültigen Akzeptor. In solch einer Struktur können wir eine Wiederherstellung der molekularen Emission um einen Faktor acht demonstrieren und zeigen, dass der Energietransferprozess zwischen L4P-SP3 und L6P den Ladungstrennungsprozess fast vollständig überholt. Als andere Option haben wir die Energieniveaus angepasst, indem eine organometallische Donor-Monolage [RuCp*mes] ergänzt wird. Diese Zwischenschicht senkt die Austrittsarbeit von ZnO deutlich ab und führt so zu einer Anpassung der Niveaus zwischen die zwei Halbleiter. Während die Effizienz des Energietransfers unverändert bleibt, steigen die Emission von L4P-SP3 sowie die Lebenszeit der molekularen Photoluminescenz um einen Faktor sieben verglichen mit entsprechenden Strukturen ohne Zwischenlage. / In HIOS structures based on a quantum well and an adjacent organic overlayer, efficient conversion of Wannier excitons into Frenkel excitons via Förster-type resonant energy transfer (FRET) has been demonstrated. The design here in use consists of a spiro-annulated ladder-type quarter-phenyl (L4P-SP3), deposited on ZnO-based single quantum wells (SQW) to obtain incoherent electronic coupling. The SQWs we use are grown with extremely thin (2 nm) capping layer. With photoluminescence excitation and time-resolved spectroscopy, we demonstrate that these hybrid structures exhibit energy transfer from the inorganic material to the organic molecules with an efficiency up to 77%. However, UPS measurements show a type-II energy level alignment between ZnO and the molecular layer, resulting in a very efficient charge separation process (ηCT=0.9) that suppresses the molecular emission. The first idea relies on a fast and highly efficient cascade FRET: following the primary transfer step from the QW, the excitation is conveyed away from the hybrid interface by a secondary transfer-step within the organic layer. As final acceptor we select ladder-type sexiphenyl (L6P). In such a structure, we demonstrate a recovery of the molecular emission by a factor eight, showing that the intermolecular FRET outpaced almost entirely the charge separation process. As alternative option, we tune the energy levels at the interface by introducing an organometallic donor monolayer [RuCp*mes]. The interlayer reduces substantially the ZnO work function, aligning the frontier levels of the inorganic and organic semiconductor. Optical experiments show the benefits of the interlayer: while the FRET efficiency is unaffected, the L4P-SP3 emission and its photoluminescence lifetime increase by a factor of seven, when compared to the same structure without interlayer.

Semiconductor nanostructures exhibit many remarkable electronic and optical properties. The key to designing and utilising semiconductor quantum structures is a physical understanding of the detailed excitation, transport and energy relaxation processes. Thus the nonequilibrium dynamics of semiconductor quantum structures have attracted extensive attention in recent years. Ultrafast spectroscopy has proven to be a versatile and powerful tool for investigating transient phenomena related to the relaxation and transport dynamics in semiconductors. In this thesis, we report investigations into the electronic and optical properties of various semiconductor quantum systems using a variety of ultrafast techniques, including up-conversion photoluminescence, pump-probe, photon echoes and four-wave mixing. The semiconductor quantum systems studied include ZnO/ZnMgO multiple quantum wells with oxygen ion implantation, InGaAs/GaAs self-assembled quantum dots with different doping, InGaAs/InP quantum wells with proton implantation, and silicon quantum dots. The spectra of these semiconductor nanostructures range from the ultraviolet region, through the visible, to the infrared. In the UV region we investigate excitons, biexcitons and oxygen implantation effects in ZnO/ZnMgO multi-quantum wells using four-wave mixing, pump-probe and photoluminescence techniques. Using time-resolved up-conversion photoluminescence, we investigate the relaxation dynamics and state filling effect in InGaAs self-assembled quantum dots with different doping, and the implantation effect in InGaAs/InP quantum wells. Finally, we study the optical properties of silicon quantum dots using time-resolved photoluminescence and photon echo spectroscopy on various time scales, ranging from microseconds to femtoseconds.

Ce travail de thèse porte sur l'utilisation des NanoDiamants Photoluminescents (NDPs) pour des applications en bio-imagerie. Les nanodiamants (NDs) sont photoluminescents grâce à la présence de centres colorés azote-lacune (NV) dans leur maille cristalline. Le manuscrit est divisé en deux parties. La première concerne l'étude des propriétés optiques des centres colorés NV dans des NDs. Après l'optimisation de la concentration des centres NV, nous comparons la photoluminescence des NDPs à celle des nanoparticules semi-conductrices commerciales; nous concluons qu'elle peut être équivalente, même supérieure dans le cas des NDPs. Pour augmenter le contraste d'imagerie intracellulaire des NDPs, nous avons étudié l'excitation à 2-photons des centres NV. Lors de cette étude avec un laser impulsionnel, nous avons découvert que le signal de photoluminescence des NDPs excité à un photon chute très fortement lorsque l'impulsion infrarouge est simultanée de l'excitation visible. Nous avons étudié la façon d'utiliser cet effet pour l'imagerie de super-resolution. La deuxième partie porte sur l'étude des applications des NDPs comme sondes pour la bio-imagerie. Dans le but d'utiliser des NDPs comme véhicules de biomolécules, nous avons étudié leurs mécanismes d'internalisation et avons élucidé leur localisation intracellulaire, en inhibant des voies différentes d'internalisation et par des expériences d'immunofluorescence. De plus, nous avons montré que les NDPs ne sont pas toxiques pour des cellules en culture. Un premier essai de vectorisation a été mené avec de NDPs couverts d'ADN plasmidique.

Ce travail de thèse comporte un volet Matériaux qui s'insère dans une thématique Nanomatériaux/ Nanocomposites et un volet propriétés optiques relevant de la Nanophysique. Nous avons adressé les effets de nanostructuration d'un polymère conjugué semi-conducteur sur ses propriétés d'émission optique : le poly(p-phénylène vinylène) (PPV). Deux types de nanostructuration sont mis en oeuvre : l'élaboration de films minces nanocomposites polymère / nanotubes de carbone (NTC) ; l'élaboration de nanofibres. Les films minces nanocomposites PPV/NTC sont préparés par “drop-casting” pour diverses concentrations de NTC et dilutions du précurseur du PPV. Leurs propriétés optiques se trouvent fortement modifiées par ces différents paramètres. L'effet sur la photoluminescence de l'interaction entre chaînes de polymère et les NTC est discuté. Les nanofibres de PPV sont élaborées par une méthode d'imprégnation de membranes nanoporeuses. Selon les conditions de synthèse, deux types de morphologie sont obtenus : nanofils ou nanotubes. Des propriétés de photoluminescence très différentes selon la morphologie nanofil-nanotube sont mises en évidence. Ainsi, pour les nanotubes de PPV, le rendement quantique d'émission est fortement renforcé et une nouvelle bande d'émission proche de 450 nm apparaît, présentant un déclin très lent. L'ensemble des résultats de photoluminescence est interprété et discuté à l'aide d'un travail théorique visant à décrire la structure moléculaire et supramoléculaire de ces nanostructures en terme de distribution de segments conjugués (effets intrachaîne/interchaîne, taille des segments). Il s'appuie sur un modèle phénoménologique et sur des calculs de chimie quantique moléculaire.

Ce travail concerne le dopage par des ions actifs et/ou des nanoparticules semi-conductrices de CdS et la caractérisation de xérogels de SiO₂ poreux obtenus par voie sol-gel. Le but de cette étude est de contribuer à la compréhension de l'effet du dopage sur les propriétés structurales, texturales et optiques du matériau final. Nous avons montré par spectroscopie Raman et absorption-désorption d'azote que l'incorporation d'ions actifs, tels que Cd²⁺, Pb²⁺ ou Eu³⁺, modifie les cinétiques et les mécanismes de la gélification et la densification du réseau de SiO₂. La nature même de ces modifications est fonction de la concentration en ions dopants. Dans le cas de l'ion Eu³⁺, l'analyse a été complétée par la spectroscopie d'émission utilisant cet ion comme sonde luminescente pour décrire son environnement dans la matrice. Des xérogels de SiO₂ ont aussi été post-dopés avec des nanoparticules de CdS. La méthode consiste à laisser diffuser dans la matrice poreuse une solution aqueuse contenant les précurseurs de cadmium et du soufre. Les nanoparticules cristallisent ensuite <i>in situ</i> de manière homogène sous l'effet d'un traitement thermique. La taille des nanoparticules et leurs propriétés d'émission ont été déterminées par spectroscopies d'absorption UV-visible, d'émission et d'excitation. Ces techniques ont montré l'influence des niveaux pièges liés à des défauts de surface des nanocristaux sur leurs propriétés optiques et ont mis en évidence un transfert d'énergie lors du co-dopage de SiO₂ par CdS :Eu³⁺. Une deuxième technique de croissance cristalline a été utilisée. Elle consiste à irradier, par un faisceau laser pulsé, les matrices sol-gel contenant les précurseurs de CdS pour former localement des microstructures de nanoparticules. Nous montrons notamment que l'absorption à deux photons permet d'envisager la structuration à l'échelle submicronique des nanocristaux de CdS.

Les techniques de pompage optique sont habituellement bien adaptées à l'étude de la dynamique de spin des semi-conducteurs. Le silicium est un cas particulier, à cause d'un gap indirect et d'un faible couplage spin-orbite.<br />La stratégie mise en place dans nos travaux consiste à «réduire le temps de vie» des électrons de conduction, afin que leur polarisation initiale soit conservée.<br />Dans un premier temps, nous avons mené une étude de photoluminescence polarisée. La réduction du temps de vie s'opère essentiellement en faisant varier le taux de dopage en accepteurs. Nous avons mis en évidence une luminescence chaude fortement polarisée sur un échantillon très dopé. Cependant, aucun effet de dépolarisation en champ transverse n'a pu être observé.<br />Dans un deuxième temps, nous avons conduit une expérience de photo-émission résolue en spin et en énergie, pour une gamme d'énergie d'excitation variant de l'infrarouge à l'ultraviolet. L'échelle de temps pertinente est le temps d'échappement, beaucoup plus court que le temps de vie. Cela a nécessité la mise au point une procédure d'activation de photocathodes en silicium en affinité électronique négative. Une étude spectroscopique à 20 meV de résolution des distributions d'électrons photo-émis a été réalisée. L'analyse en spin de ces distributions montre une augmentation spectaculaire de la polarisation électronique lorsque l'énergie d'excitation se rapproche du gap direct. Des polarisations de l'ordre de 15% sont mesurées, proches des valeurs théoriques que nous calculons. Nous avons également observé un changement de signe de la polarisation très sensible à la température dans la partie thermalisée des distributions électroniques.

Cette thèse porte sur les mécanismes d'excitation et d'émission des couches minces de nitrure de gallium dopées par des ions de terre rare (Eu3+, Er3+ et Tm3+) suite à une excitation optique (photoluminescence) ou électrique (électroluminescence) du matériau semi-conducteur.<br /> A l'intérieur du GaN, deux catégories de site d'incorporation d'ions de terre rare peuvent être distinguées, à savoir les ions de terre rare "isolés" (c'est-à-dire ne contenant aucun défaut dans leur voisinage) et les complexes associant un ion de terre rare avec un piège, celui-ci pouvant provenir du dopage lui-même ou d'un défaut cristallin. L'excitation non-résonante est réservée au second type de centres et a lieu par transfert d'énergie lors de la recombinaison non radiative d'un exciton lié sur un piège proche de la terre rare.<br /> La comparaison d'échantillons de GaN dopés in situ et par implantation ionique par l'ion Eu3+ montre que ces films présentent chacun deux types de complexes "Eu3+-piège" dont l'un est commun à tous les échantillons. Les différences d'efficacité d'excitation respectives des deux complexes s'expliquent par la proximité du piège correspondant.<br /> Grâce à des expériences pompe-sonde combinant des lasers impulsionnel et continu, le chemin d'excitation des ions de terre rare est confirmé expérimentalement et deux des mécanismes d'extinction de leur luminescence (la photo-ionisation de pièges et l'effet Auger avec des porteurs libres) sont étudiés.<br /> L'excitation électrique du GaN:Er3+ est également présentée. Les études en fonction de la température, du courant parcourant l'échantillon ou de la tension de polarisation mettent en évidence l'excitation par impact des ions de terre rare.

L'objet de ce travail est l'étude de l'interaction lumière-matière dans les microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Nous avons étudié la réponse cohérente d'une microcavité semi-conductrice soumise à une excitation optique au moyen d'un laser continu quasi-monochromatique. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'un régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique placé à l'intérieur de la cavité. Nous avons ensuite montré qu'en plus du champ cohérent réfléchi, la microcavité émet de la photoluminescence quasi-résonante. À basse température (4K), nous avons montré que cette luminescence est due aux collisions des excitons avec les phonons acoustiques du cristal. Enfin, nous avons étudié le bruit sur l'intensité du champ sortant au moyen d'une détection homodyne équilibrée. Nous avons mis en évidence que le bruit mesuré résulte de l'émission incohérente de la microcavité, c'est-à-dire de la photoluminescence. Nous avons observé que ce bruit a un comportement non linéaire dont l'origine se trouve dans l'interaction entre excitons.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes de luminescence de nanocristaux de silicium (nc-Si) de taille contrôlée. Les matériaux étudiés sont des couches minces de SiO2 contenant des nc-Si confinés. La structure des films est caractérisée par spectroscopie d'absorption infrarouge, diffraction de rayons X et microscopie électronique à transmission. La distribution en taille des nc-Si est mesurée, montrant que la taille est contrôlée avec une faible dispersion.<br />Les mécanismes de luminescence sont étudiés par spectroscopie de photoluminescence continue et résolue en temps de 4 K à 300 K. Corrélés à l'étude de structure, les résultats de photoluminescence montrent que la qualité de la matrice et la taille des nc-Si contrôlent les propriétés de luminescence des nc-Si. Les mécanismes de recombinaison des porteurs sont étudiés. Enfin, le transport électrique dans les couches est caractérisé. L'électroluminescence est observée et montre le rôle joué par les nc-Si sur la luminescence.