Conversion of mechanical energy into light : understanding the phenomenon in the case of phosphor-elastomer composite materials

par Amira Saoudi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Christophe Dujardin et de Benoît Mahler.

Soutenue le 23-11-2020

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Journet.

Le jury était composé de Christophe Dujardin, Benoît Mahler, Anna Vedda, Philippe Smet, Geneviève Chadeyron, Thierry Gacoin.

Les rapporteurs étaient Anna Vedda, Philippe Smet.

  • Titre traduit

    Conversion d'énergie mécanique en lumière : compréhension du phénomène dans le cas des matériaux composites phosphore-élastomère


  • Résumé

    Elastico-mécanoluminescence (EML), qui est le phénomène où la luminescence est induite par la déformation élastique des solides, a connu un intérêt croissant ces dernières années. L'étude des matériaux composites de type phosphore-élastomère comme le ZnS:Cu/Mn incorporé dans une matrice de PDMS (polydiméthylsiloxane). De nombreux appareils sont développés à partir de ce phénomène comme des fibres de tissus mécanoluminescentes, ou encore des panneaux d’affichage mécanoluminescents alimentés grâce à la force du vent. Cependant, l'origine de ce mécanisme n’est pas complètement établie. Un des modèles permettant d’expliquer l’EML invoque le processus d'auto-régénération de la mécanoluminescence par la réduction de la profondeur du piège induite par la piézoélectricité. Bien que ce modèle soit assez bien accepté, il est néanmoins contesté par d'autres auteurs qui proposent un mécanisme alternatif. Dans le cas d’un matériau composite ZnS: Cu-PDMS, il est démontré que la triboélectricité est également adaptée pour expliquer ce phénomène de luminescence. Cette théorie est soutenue par le fait qu'un matériau élaboré à base d’une matrice rigide, comme la résine, au lieu d’une matrice souple comme le PDMS rend l’EML impossible à produire. Le travail présenté aborde les différents mécanismes de l’EML selon deux approches. L’une consiste à évaluer un matériau modèle en condition d’étirement et à en analyser la réponse optique. L’autre consiste à synthétiser différents matériaux et à tester leur efficacité en fonction de différents paramètres structuraux et morphologiques. Ainsi, différents phosphores (piézoélectriques ou non) et des hétérostructures telles que ZnS:Cu, ZnS:Mn, CaZnOS: Mn/Mn, Li sont dispersés dans des matrices à base de PDMS et caractérisés selon diverses conditions d'étirement. Les conclusions de ces résultats mènent à privilégier le modèle triboélectricité. Ce point important met en évidence l’importance de la surface des microparticules. Ainsi, des traitements chimiques de surface, comme des revêtements de silice SiO2 ou de téflon, permettent d’étudier l'influence de la modification de surface des microparticules ainsi que de déterminer l'interaction entre les microparticules et le polymère. En effet, la force d’adhésion entre ces deux éléments joue un rôle central dans l’intensité de la lumière émise lors d’une déformation élastique. Cette approche fournit une meilleure compréhension du phénomène d'élastico-mécanoluminescence et nous a permis de proposer un mécanisme d’activation de l’EML et d’établir un modèle applicable aux différents matériaux que nous avons étudiés. Nous avons pu démontrer que plus l’interaction est faible et plus l’EML est intense via la mise en lumière d’éléments observés sous microscope optique. Ces éléments placent la triboélectricité comme seul mécanisme responsable de l’EML. Cela a permis, entre autres, de rendre efficaces diverses microparticules commerciales, ce qui permet d’envisager d’élargir la gamme de luminophores pour cette application. Ce projet permet également d’élargir notre pensée à travers des systèmes alternatifs concernant la matrice. En utilisant d’autres matrice telles que la résine époxy et la silly putty, il est possible de déclencher une luminescence par friction ou séparation des surfaces (par déchirement), tous deux basés sur la triboélectricité. Ouvrant probablement la voie à de nombreuses applications


  • Résumé

    Elastico-Mechanoluminescence (EML), which is the phenomenon where luminescence is induced by elastic deformation of solids, has known an increasing interest these last few years. The study of composite materials ZnS:Cu/Mn-PDMS (polydimethylsiloxane) arose. Many devices are being developed from stretchable mechanoluminescent fibers, to wind-driven mechanoluminescent displays. However, the origin of this mechanism is not fully established. One of the models to explain EML invokes the self-recovery process of mechanoluminescence by the trap-depth reduction induced by piezoelectricity. Although this model is fairly well accepted, it is nevertheless contested by other authors who propose an alternative mechanism. In the case of a ZnS: Cu-PDMS composite material, it has been shown that triboelectricity is also suitable to explain this phenomenon of luminescence. This theory is supported by the fact that rigid matrix material, such as acryl resin, seem to extinguish the luminescence of ZnS:Cu upon loading.The presented work discusses the different mechanisms of EML using two approaches. One is to evaluate a model material under stretch condition and analyse its optical response. The other is to synthesize different materials and test their efficiency against different structural and morphological parameters. Thus, various phosphors (piezoelectric or not) and heterostructures such as ZnS:Cu, ZnS:Mn, CaZnOS:Mn/Mn,Li are dispersed in PDMS based matrixes and characterized upon various stretching conditions. The conclusions of these results lead to favour the triboelectricity model. This point highlights the importance of the surface of the microparticles. Thus, chemical surface treatments, such as coatings of silica SiO2 or Teflon, make it possible to study the influence of the surface modification of the microparticles as well as to determine the interaction between the microparticles and the polymer. Indeed, the bond strength between these two elements plays a central role in the intensity of the light emitted during an elastic deformation. This approach helps to provide a better understanding of the phenomenon of elastic-mechanoluminescence and allowed us to propose a mechanism for activating EML and to establish a model applicable to the different materials we studied. We have been able to demonstrate that the weaker the interaction, the more intense the EML by highlighting elements observed under an optical microscope. These elements place triboelectricity as the sole mechanism responsible for EML. It helped make commercial microparticles effective, which makes it possible to consider expanding the range of phosphors for this application.This project allowed us to broaden our thinking through alternative systems. Using other matrixes such as epoxy resin and silly putty, it is possible to trigger luminescence by friction or separation of surfaces (by tearing), both based on triboelectricity. Probably paving the way for many applications


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