Sulfure et oxysulfures dopés aux terres rares pour émissions dans l'infrarouge moyen et pour la mesure de température

Rare earth ions doped (oxy)sulfides for mid-infrared emission and temperature sensing

• Auteur / Autrice : Renguang Ye
• Direction : Xiang Hua Zhang, Odile Merdrignac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Adam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xiang Hua Zhang, Odile Merdrignac, Jean-Luc Adam, Anne-Marie Jurdyc, Xusheng QIAO, Ying Tian, Shiqing Xu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Marie Jurdyc, Xusheng QIAO

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminescence

Terres rares

Soufre -- Composés organiques

Thermométrie

Mots clés libres

Matériaux luminescents

CaLa2S4

La2O2S

Infrarouge moyen

Thermométrie optique

Luminescent material

CaLa2S4

La2O2S

Mid-infrared

Optical thermometry

Résumé

Les matériaux sulfures et oxysulfures, en particulier, CaLa2S4 et M2O2S (M=Y, Ga and La), ont été sélectionnés pour le dopage de terres rares en raison de leurs excellentes caractéristiques notamment une faible énergie de phonon et une grande solubilité des terres rares. Tout d'abord, des poudres de CaLa2S4 dopées aux ions Dy3+ et Pr3+ avec une grande cristallinité ont été synthétisées en utilisant la méthode combustion. Sous pompage optique à 1.32μm, une forte photoluminescence dans l’infrarouge moyen est détectée autour de 2.8μm (6H11/2→6H15/2) et 4.4μm (6H13/2→6H15/2) pour la première fois dans des poudres de Dy3+:CaLa2S4. Avec les poudres Pr3+:CaLa2S4 sous excitation à 1.55μm, on observe des émissions larges et intenses vers 2.5μm (3H6→3H4) et 4.7μm (3H5→3H4). Une durée de vie exceptionnellement longue des états excités, de l’ordre de 20 ms, a été obtenue et discutée pour Pr3+:CaLa2S4. Ensuite, des poudres Y2O3 et Y2O2S co-dopées Er3+/Yb3+, avec une énergie de phonon différente, ont été préparées pour étudier l'influence de l'énergie de phonon sur la sensibilité de la thermométrie optique en utilisant le rapport d'intensité de fluorescence de niveaux d'énergie couplés thermiquement. Les deux luminophores ont démontré une excellente linéarité (R2 = 0,99) et une sensibilité relative Sr élevée d'environ 0,0113 K-1 à 303 K. Enfin, un capteur de température tout fibre optique utilisant des luminophores M2O2S (M = Y, Ga et La), dopés avec Er3+/Yb3+, a été construit pour étudier l'influence de la distorsion de la symétrie locale des ions de terres rares, sur la sensibilité de la thermométrie optique. Le capteur de température tout fibre démontre une sensibilité absolue élevée (0,0083K-1 à 423 K) et une sensibilité relative élevée (0,0196K-1 à 258K) avec le luminophore La2O2S: Er3+/Yb3+, ayant la distorsion de symétrie locale la plus élevée.

Sulfide and oxy-sulfide materials, particularly CaLa2S4 and M2O2S (M=Y, Ga and La), have been selected for rare earth doping due to their excellent overall properties, including low phonon energy and high rare earth solubility. First, Dy3+ and Pr3+ ions doped high-purity CaLa2S4 powders with high crystallinity have been synthesized successfully by using the solution combustion method. Under optical pumping at 1.32 μm, strong mid-infrared photoluminescence around 2.8 μm (6H11/2→ 6H15/2) and 4.4 μm (6H13/2→ 6H15/2) has been obtained for the first time in Dy3+: CaLa2S4 powders, while strong broadband mid-infrared emissions around 2.5 μm (3H6 → 3H4) and 4.7 μm (3H5 → 3H4) are observed in Pr3+:CaLa2S4 powders under 1.55 μm excitation. Exceptionally long lifetime of excited states, in the range of 20 ms, has been obtained and explained for Pr3+: CaLa2S4. Then, Er3+/Yb3+ co-doped Y2O3 and Y2O2S powders, with different average phonon energy, have been prepared for investigating the influence of phonon energy on the sensitivity of the optical thermometry using the fluorescence intensity ratio of thermally coupled energy levels. Both phosphors showed an excellent linearity (R2= 0.99) and a high relative sensitivity Sr of about 0.0113 K-1 at 303 K. Lastly, an all-fiber optic temperature sensor using M2O2S (M=Y, Ga and La) phosphors, doped with Er3+/Yb3+, was built up to investigate the influence of the local symmetric distortion of the rare earth ions on the sensitivity of the optical thermometry. The allfiber temperature sensor demonstrates a high absolute sensitivity (0.0083K-1 @423 K) and high relative temperature sensitivity (0.0196K-1 @258K) with the La2O2S:Er3+/Yb3+ phosphor, having the highest local symmetric distortion.