Formation et étirage de nanoparticules de différents oxydes formées in situ par séparation de phase dans la silice dopée terre rare : étude par dynamique moléculaire

Formation and drawing of different oxides nanoparticles formed in situ by phase separation in rare earth doped silica : study by molecular dynamics

• Auteur / Autrice : Jorel Fourmont
• Direction : Stéphane Chaussedent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Angers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de photonique d'Angers - Laboratoire de photonique d'Angers
• Jury : Président / Présidente : Thierry Cardinal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Talbot, Victor Teboul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Armand Soldera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes

Terres rares

Nanoparticules

Démixtion

Verre de silice

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Séparation de phase

Structures vitreuses

Molecular dynamics

Silica glass

Phase separation

Nanoparticle

Rare earth

Oxide

Glass structures

Résumé

Le développement de fibres optiques avec des propriétés spectroscopiques « augmentées » est envisagé en encapsulant des ions de terre rare dans des nanoparticules (NPs) d’oxydes. Cette technique vise à façonner la réponse de luminescence des ions de terre rare à travers le contrôle de leur environnement. Ces NPs sont formées in situ par séparation de phase dans la silice dopée terre rarelors de la fabrication de la préforme. Cependant, le développement de ces fibres se heurte au problème de la gestion de la transparence : les NPs doivent être les plus petites possible pour minimiser les pertes induites par diffusion de la lumière. Le processus d’étirage de la préforme en fibre est alors mis à profit pour contrôler la taille des NPs, qui peuvent s’allonger et se fragmenter en plus petites NPs lors de l’étirage. Dans ce contexte, des simulations de dynamique moléculaire ont été menées en utilisant un potentiel d’interaction permettant de reproduire le phénomène de séparation de phase dans des mélanges silicatés (MgO-SiO2, CaO-SiO2 et La2O3-SiO2). La taille, la morphologie, la structure et la composition des NPs de ces systèmes sont étudiées.Nous avons montré que les ions de terre rare sont majoritairement localisés dans les NPs, avec un degré d’agrégation restant limité. Par ailleurs, une dépendance de la composition chimique des nanoparticules avec leur taille est observée. Le processus d’étirage révèle un allongement selon l’axe d’étirage et une fragmentation des plus grosses NPs. Ces résultats constituent un guide pertinent pour le développement de futurs matériaux.

The development of optical fibers with « enhanced » spectroscopic properties is consideredby encapsulating rare earth ions in oxide nanoparticles (NPs). This technique aims to tailor the luminescence response of rare earth ions through the control of their environment. These NPs are formed in situ by phase separation in rare earth doped silicaduring the preparation of the preform. However, the development of these fibers is confronted with the problem of transparency management: the NPs must be as small as possible to minimize the losses induced by light scattering. The drawing process of the preform to the fiber is then used to control the size of the NPs, which can elongate and break-up into smaller NPs during the drawing step.In this context, molecular dynamics simulations were carried out using an interaction potential designed to reproduce the phase separation phenomenon in silicate melts (MgO-SiO2, CaO-SiO2and La2O3-SiO2). The size, the morphology, thestructure, and the composition of the NPs in these systems are studied. We have shown that rare earth ions are mainly localized in NPs, with a clustering trend which remain limited. Also, a dependence of the chemical composition of the nanoparticles on their size is observed. The drawing process reveals an elongation along the drawing axis and a break-upof the larger NPs. These results constitute a relevant guide for the development of new materials