Orientation analysis and liquid crystalline behavior of lanthanide-doped nanorods
Analyse d'orientation et comportement des cristaux liquides de nanobâtonnet dopés aux lanthanides
Résumé
Luminescent nanocrystals have been of great interest for their use for many applications such as display devices or as biological markers. Among them, nanocrystals doped with lanthanide ions exhibit very specific emission features associated to either magnetic (MD) or electric dipole (ED) transitions.The first objective of this thesis was to develop a methodology for the determination of the 3D orientation of nanocrystals by taking advantage of the unique polarization features of MD and ED transitions. As a case example, NaYF4:Eu nanorods were synthesized, surface functionalized and randomly oriented within a rigid polymer film. The possible determination with a high accuracy of the 3D orientation of the nanorods is demonstrated using a single spectrogram of the polarized photoluminescence. A second part is devoted to the determination of the degree of orientation (order parameter) with respect to the global alignment direction of colloidal NaYF4:Eu nanorods aligned under an electric field in an electro-optical cell.The second objective of this thesis was to investigate colloidal liquid crystal behaviour of anisotropic nanocrystals. LaPO4:Eu nanorods were synthesized, stabilized with a surface ligand and dispersed in an apolar media where liquid crystalline (LC) behaviour was evidenced. This phenomenon was compared to the previously reported LC behaviour of the same nanorods dispersed in polar media. In a second part, the LCs behaviour was investigated in the case when the system is confined between two hard walls. Confined LC showed unprecedented LC evolution leading to the observation of flower-shaped LC domain. 3D tomographic mapping of orientation and order parameter was performed based on the polarized photoluminescence of doped lanthanide ions. This thesis study provides a first example of application of the technique for the characterization of self-organized assemblies, opening the way toward even more challenging applications such as the rotational dynamic tracking of nano-objects.
Les nanocristaux luminescents ont fait l’objet de nombreux travaux en vue de leurs applications dans de nombreux domaines tels que les dispositifs d'affichage ou comme marqueurs biologiques. Parmi eux, les nanocristaux dopés aux ions lanthanides présentent des caractéristiques d'émission très spécifiques associées à des transitions soit dipolaires magnétiques (MD), soit dipôlaires électriques (ED).Le premier objectif de cette thèse était de développer une méthodologie pour la détermination de l'orientation 3D des nanocristaux en tirant parti des caractéristiques uniques de polarisation des transitions MD et ED. À titre d'exemple, des nanobâtonnets de NaYF4:Eu ont été synthétisés, fonctionnalisés en surface et orientés aléatoirement dans un film de polymère rigide. La détermination avec une grande précision de l'orientation 3D des nanorods est démontrée à l'aide d'un spectrogramme unique de la photoluminescence polarisée. Une deuxième partie est consacrée à la détermination du degré d'orientation (paramètre d'ordre) par rapport à la direction d'alignement global de nanobâtonnets colloïdaux NaYF4:Eu alignés par un champ électrique dans une cellule électro-optique.Le deuxième objectif de cette thèse était d'étudier le comportement cristal liquide des nanocristaux anisotropes. Des nanobâtonnets de LaPO4:Eu ont été synthétisés, stabilisés avec un ligand de surface et dispersés dans un milieu apolaire où le comportement cristal liquide (CL) a été mis en évidence. Ce phénomène a été comparé au comportement CL précédemment rapporté des mêmes nanobâtonnets dispersés en milieu polaire. Dans une seconde partie, le comportement CL a été étudié dans le cas où le système est confiné entre deux parois. La dispersion confinée a montré une évolution originale de sa structure menant à l'observation de domaines CL en forme de fleur. Une cartographie tomographique 3D de l'orientation et du paramètre d'ordre a été réalisée sur la base de la photoluminescence polarisée des ions lanthanides dopés. Ceci fournit un premier exemple d'application de la technique pour la caractérisation d'assemblages auto-organisés, ouvrant la voie à des applications encore plus complexes comme le suivi de la dynamique rotationnelle de nano-objets.
Origine : Version validée par le jury (STAR)