Verres, fibres optiques et composites luminescents pour la détection optique et les applications photoniques

Luminescent glasses, optical fibers, and composites for optical sensing and photonic applications

• Auteur / Autrice : Renato Grigolon capelo
• Direction : Danilo Manzani, Frédéric Smektala
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 22/06/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Université de São Paulo
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)

Mots clés

Mots clés libres

Fibres optiques

Verres d'oxyde

Détection optique

Photonique

Optical fibers

Oxide glasses

Optical sensing

Photonics

Résumé

Les capteurs de gaz et de vapeur sont une demande technologique pertinente et actuelle, liée à des sujets scientifiques importants tels que l'environnement, la santé et la sécurité. Cependant, le suivi de ces espèces peut souvent être difficile en raison d'un accès difficile ou d'un risque élevé, en particulier dans le cas de matières explosives ou toxiques. Dans ce contexte, les capteurs optiques longue distance sont devenus une alternative émergente au capteur de gaz déporté. L'objectif principal du projet est le développement de fibres optiques spéciales avec une large fenêtre de transmission de l'UV à l'IR moyen pour une application dans la télédétection de polluants, de gaz toxiques et/ou explosifs en utilisant des substrats de verre spéciaux avec des propriétés optiques adaptées. En ce sens, plusieurs compositions de verres de tellurite et de phosphotellurite contenant différents pourcentages de précurseurs de fluorures ont déjà été étudiées, pour élargir la fenêtre de transparence spectrale. Les matrices de verre synthétisées à l'aide de la méthode conventionnelle de fusion -trempe ont été initialement caractérisées par des techniques telles que XRD, DSC, FTIR, UV-Visible, Raman et RMN à l'état solide pour élucider les propriétés thermiques, structurales et optiques des verres. Enfin, en visant une fonctionnalisation de surface, les verres ont été recouverts d'organométalliques de lanthanide (Ln-MOF) par un processus de dépôt in situ par méthode hydrothermale. Plusieurs composites Ln-MOF@glass ont été préparés en utilisant les matrices de verres étudiées et des MOF contenant des ligands carboxylates et Eu3+ et Tb3+ comme centres métalliques. Ensuite, les composites ont été caractérisés en ce qui concerne leurs propriétés structurales et optiques, et la formation de différentes structures Ln-MOF a été observée pour chaque substrat de verre spécial eun égard à sa composition, indiquant l'existence d'interactions entre la surface du verre et les composants Ln-MOF. Dans les prochaines étapes, les tests de détection seront effectués par l'exposition du matériau composite à des composés organiques volatils (COV) et à des gaz, et leur réponse de photoluminescence sera évaluée. Ensuite, des fibres optiques seront produites à partir des compositions de verres optimisées pour une fonctionnalisation de surface et les composites ainsi obtenus seront testés en tant que capteurs de gaz à distance.

Gas and vapor sensors are a relevant and current technological demand, related to important scientific topics such as environment, health, and safety. However, monitoring these species can often be difficult due to difficult access or high risk, especially in the case of explosive or toxic materials. In this context, long-distance optical sensors have become an emerging alternative to the remote gas sensor. The main project's objective is the development of special optical fibers with a wide transmission window from UV to middle-IR for application in the remote sensing of pollutants, toxic and/or explosive gases by using special glass substrates with pronounced optical properties and low-characteristic temperatures. In this sense, several compositions of tellurite and phosphotellurite glasses containing different percentages of fluoride precursors have already been studied, to broaden the window of spectral transparence. The glass matrices synthesized using the conventional meltquenching method were initially characterized by techniques such as XRD, DSC, FTIR, UV-Visible, Raman, and solid-state NMR to elucidate glass thermal, structural and optical properties. Finally, aiming to the surface functionalization with potential-sensing materials, the glasses were coated with lanthanide MOFs (Ln-MOFs) through an in situ growth process by the hydrothermal method. Several Ln-MOF@glass composites were prepared using the glass matrices studied and MOFs containing carboxylate ligands and Eu3+ and Tb3+ as metallic centers. Then, the composites were characterized regarding their structural and optical properties, and the formation of different Ln-MOF structures was observed in each special glass substrates with different composition. indicating the existence of interactions between the glass surface and the Ln-MOF components. In the next steps, the sensing tests will be performed through the exposure of the composite material to volatile organic compounds (VOCs) and gases, and their photoluminescence response will be evaluated. Then, optical fibers will be produced from the optimized conditions and glass compositions for further functionalization and application of the composites as remote gas sensors.