Thermométrie par photoluminescence, application en micro/nanothermique

Photoluminescence thermometry, application in micro/nanothermic

• Auteur / Autrice : Gary Degliame
• Direction : Nathalie Trannoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique
• Date : Soutenance le 20/12/2017
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne ; 2000-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Sciences Pour l’Ingénieur (GRESPI) EA 4694 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Madjid Diaf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Trannoy, Thierry Duvaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Aigouy, Luis António Ferreira Martins Dias Carlos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Erbium

Photoluminescence

Mots clés libres

Photoluminescence

Erbium

Rif

SThM

Sonde Thermique

Photoluminescence

Erbium

Fir

SThM

Thermal Probre

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la photoluminescence de microcristaux en vue de concevoir une sonde hybride permettant des mesures de la température et de la conductivité thermique d’un échantillon aux micro/nano-échelles. Pour cela, une sonde thermorésistive en Wollaston, utilisée en microscopie thermique (SThM), a été couplée à un microcristal de Cd0.7Sr0.3F2 (4% Er3+) dopé Erbium dont le spectre d’émission est sensible à la température. Dans un premier temps, les propriétés optiques du cristal massif ont été étudiées en vue de son application en thermométrie. Nous avons travaillé à l’interprétation de son spectre de luminescence obtenu par up-conversion avec une diode laser centrée à 655 nm de 4mW. Nous avons alors proposé trois méthodes de détermination des intensités de fluorescence pour accéder à cette température via la technique RIF (Rapport des Intensités de Fluorescence). Nous avons montré qu’il était possible de déterminer sa température en utilisant les intensités des émissions des sous-niveaux Stark des niveaux thermalisés. Nous avons, ensuite, étudié le comportement en température de microcristaux fixés individuellement à l’extrémité de sondes thermorésistives. Les résultats expérimentaux ont permis d’en déduire la taille optimale du microcristal et la méthode de détermination des intensités la plus adaptée à la nano/microthermométrie.Après avoir validé notre approche de la température aux microcristaux, nous nous sommes intéressés au principe d’imagerie en température à partir des spectres de photoluminescence. Nous présentons une application sur un microsystème composé de fils conducteurs de 350nm de diamètre recouverts par un film mince de SiO2.

This PhD work focuses on the study of microcrystals photoluminescence in order to design a hybrid probe allowing micro/nano-scales measurements of a sample’s temperature and the thermal conductivity. Thus, a Wollaston thermoresistive probe used in thermal microscopy (SThM), was coupled to an Erbium doped microcrystal of Cd0.7Sr0.3F2 (4% Er3+), whose emission spectrum is sensitive to the temperature.At first, for its applications in thermometry, the optical properties of the bulk crystal have been studied. We worked on the interpretation of its luminescence spectrum obtained by up-conversion using a laser diode centered at 655 nm and 4mW. Then, we proposed three methods to determine the fluorescence intensities to access this temperature via the RIF (Fluorescence Intensity Ratio) technique. We have shown that it is possible to determine its temperature using the Stark sub-levels of the thermalized levels emissions intensities.Furthermore, we studied the temperature behavior of the microcrystals individually fixed at the end of thermoresistive probes. The experimental results made it possible to deduce the optimal size of the microcrystal and the most adapted intensity determination method for nano/microthermometry.After validating our microcrystal temperature approach, we focused on the principle of temperature imaging from photoluminescence spectra. We present an application on a microsystem composed of wires with a diameter of 350nm covered by a SiO2 thin film.