Matériaux hybrides organiques-inorganiques la photonique

par Vânia Patricia Castro Teixeira Freitas

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Louis Bantignies et de Rozenn Le Parc.

Soutenue le 21-12-2016

à Montpellier en cotutelle avec l'Universidade de Aveiro (Portugal) , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .


  • Résumé

    Ce travail a pour objet de synthétiser de nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques, de types silsesquioxanes pontants. La structure locale et les propriétés de luminescence sont caractérisées en vue d’applications potentielles dans le domaine de la photonique durable comme les concentrateurs solaires.Dans ce contexte, trois familles distinctes de matériaux sont synthétisées, basées sur six précurseurs pouvant s’auto-assembler à travers des liaisons hydrogènes et dont les parties sililées peuvent être poly-condensées lors de la réaction sol-gel. Ces précurseurs diffèrent par leur sous structure organique i.e. 1) structure linéaire où la partie organique est basée sur le groupement malonamide (P2-m et P4-m); 2) structure linéaire dans laquelle un aromatique sépare deux groupements amide et/ou thioamide (P(UU), P(UT) and P(TT)) et 3) une structure à trois embranchements dont la partie organique est basée sur des groupements amides (t-UPTES (5000)).Les deux hybrides organiques inorganiques (M2-m et M4-m) résultant de l’hydrolyse condensation des précurseurs P2-m et P4-m sont synthétisés en présence de lanthanides. On étudie l’impact de la présence d’un ou deux groupes malonamides sur la structure locale et les propriétés de photoluminescence.Les hybrides organiques-inorganiques (H(UU), H(UT) and H(TT)) sont obtenus par hydrolyse condensation des précurseurs des précurseurs (P(UU), P(UT) and P(TT)). Des composés organiques modèles des trois sous structurels organiques sont également synthétisés. L’impact de la substitution du groupement urée par le groupement thio-urée sur la structure locale des modèles et des hybrides est étudié par spectroscopie vibrationnelle. Les mécanismes de compressions et les propriétés optiques des matériaux sont ensuite analysés à la lumière des différents types de liaisons hydrogènes (urée-urée, urée-thio-urée et thio-urée--thio-urée) mises en évidence dans ces composés.es hybrides basés sur les précurseurs t-UPTES(5000) sont synthétisés selon différentes stratégies. En changeant la concentration de HCl et d’eau ou en effectuant la synthèse dans un environnement contrôlé, on montre une amélioration des propriétés optiques de ce système, en particulier, le rendement quantique absolu et le coefficient d’absorption. De plus, les mécanismes de recombinaison responsables de l’émission sont étudiés à travers la comparaison entre les propriétés de luminescence des modèles organiques et inorganiques.Finalement, de par leur affinité pour les ions lanthanides les précurseurs P2-m and P4-m ont été dopés par des ions Eu3+. La structure locale des hybrides correspondants montre une coordination entre l’hybride et l’hôte. Grâce à un rendement quantique de luminescence très élevé pour ces matériaux, des concentrateurs solaires luminescents peuvent être développés présentant un maximum de rendement quantique absolu de 0.60+/-0.06 et un rendement de conversion optique de 12.3% dans la région spectrale (300-380 nm).

  • Titre traduit

    Organic-inorganic hybrids for green photonics : solid state lighting applications


  • Résumé

    The present work aims to synthesize new organic-inorganic hybrid materials, bridge silsesquioxanes type, and characterize the local structure and photoluminescence properties overlooking potential applications in the area of sustainable photonics, namely, in solid-state lighting as luminescent solar concentrators.In this context, three distinct families of materials based on six precursors which differ in their structural organization are synthesized, i.e. precursors with structure: 1) linear where the organic component is based on malonamide group (P2-m and P4-m); 2) linear which is added an aromatic ring whose organic part is based on amide and/or thioamide (P(UU), P(UT) and P(TT)) and 3) tri-branched which the organic component is based on amide group (t-UPTES (5000)).Two organic-inorganic hybrids (M2-m and M4-m) which results from hydrolysis and condensation of the precursors P2-m and P4-m are synthetized. The role of the presence of one or two malonamide groups is studied in terms of local structure and photoluminescence properties.Three organic-inorganic hybrids (H(UU), H(UT) and H(TT)) based on (P(UU), P(UT) and P(TT)) aresynthesized and structurally characterized aiming to study the role of the hydrogen bond in the self-assembling of these materials. The presence of different types of hydrogen bonds (bifurcated, linear and cyclic) induces different conformations which affect the physical properties (mechanical and optical) of the materials.Hybrids based on t-UPTES(5000) precursor are synthesized based on different synthesis strategies. Changing the concentration of HCl and water content as well as the synthesis in a controlled environment allow the improvement of the optical properties of this system, in particular, the absolute quantum yield and the absorption coefficient. In addition, it is studied the recombination mechanisms responsible for the emission through the comparison between the corresponding photoluminescence properties of the organic and inorganic models.Finally, due to the structural simplicity of the precursors and affinity with lanthanide ions, P2-m and P4-m precursors are doped with Eu3+. The local structure of the corresponding hybrids shows local coordination between the ion and host. Efficient materials concerning the quantum yield values lead to the development of luminescent solar concentrators with a maximum absolute quantum yield of 0.600.06 and optical conversion efficiency in the absorption spectral region (300-380 nm) of 12.3%.


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