Synthesis by hydrothermal process of lanthanide orthophosphates for optical applications

par Aristeo Garrido-Hernandez

Thèse de doctorat en Chimie, Sciences des Matériaux

Sous la direction de Damien Boyer et de Felipe de Jesús Carrillo-Romo.

Soutenue le 27-03-2015

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme) (laboratoire) et de (ICCF) Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (laboratoire) .

Le président du jury était Mohamed Bouazaoui.

Le jury était composé de Damien Boyer, Felipe de Jesús Carrillo-Romo, Audrey Potdevin, Antonieta Garcia-Murillo, Ricardo Cuenca-Álvarez.

Les rapporteurs étaient Francis Vocanson, Leticia Esperanza Hernández-Cruz.

  • Titre traduit

    Synthèse par voie hydrothermale des orthophosphates de lanthanides pour des applications optiques


  • Résumé

    Les orthophosphates de lanthanides dopés avec des Terres Rares (TR) (LnPO4) sont considérés comme des luminophores intéressants pour des applications optiques. Les luminophores sont des matériaux luminescents qui transforment certains types d'énergie (rayons X, ultraviolet, visible, infrarouge) principalement en lumière visible. Dans le cadre de cette thèse, les matrices YPO4 (orthophosphate d'yttrium), LuPO4 (orthophosphate de lutétium), GdPO4 (orthophosphate de gadolinium) et GdxY1-xPO4 (orthophosphate d'yttrium et gadolinium), dopées avec les ions Eu3+ (europium), Ce3+, Tb3+ (terbium), Er3+ (erbium), Tm3+ (thulium) et / ou Yb3+ (ytterbium) ont été synthétisés par procédé solvothermal. En jouant sur les conditions de synthèse, la phase cristalline, la taille et la morphologie des particules obtenues ont pu être contrôlées. Les échantillons ont été caractérisés par diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie infrarouge de Transformée de Fourier, analyse thermogravimétrique (TG), spectroscopie Raman, microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique à transmission (MET), et spectroscopie de luminescence (spectres d’émission, d’excitation, rendements quantiques et déclins de fluorescence). En particulier, des nanofils et des nanoparticules de GdPO4:Eu3+, GdPO4:Tb3+ ont été élaborés, ainsi que des poudres de YPO4:Tb3+ avec des phases monoclinique, hexagonale ou quadratique. Il a été mis en évidence une influence significative de la structure cristalline et de la morphologie des luminophores sur leurs propriétés optiques. Des poudres avec une morphologie différente ont été utilisés comme charges pour la préparation de films composites polymère/luminophores. En jouant sur la formulation des orthophosphates et la nature des ions dopants, des luminophores fournissant une lumière proche du blanc idéal sous excitation UV ont pu être élaborés. L’ensemble de ce travail montre clairement les potentialités d’applications de ces matériaux dans des dispositifs basés sur une source d’excitation plasma ou sur la technologie des diodes électroluminescentes.


  • Résumé

    Rare earth (Re) doped lanthanide orthophosphates (LnPO4) are considered like promising phosphors for optical applications. Phosphors are luminescent materials which convert certain types of energy (X-ray, ultraviolet, visible, infrared) mainly into visible light. In this research Eu3+ (europium), Ce3+ (cerium), Tb3+ (terbium), Er3+ (erbium), Tm3+ (thulium) and/or Yb3+ (ytterbium) doped LuPO4 (lutetium orthophosphate), YPO4 (yttrium orthophosphate), GdPO4 (gadolinium orthophosphate) and/or GdxY1-xPO4 (yttrium-gadolinium orthophosphate) were synthesized by solvothermal process. By varying the synthesis conditions, the crystalline phase, particle size and morphology were controlled by the synthesis conditions these parameters affect the photoluminescent properties. The samples were characterized by means of X-ray Diffraction (XRD), Fourier transform Infrared (FT-IR), Thermogravimetric Analysis (TGA), Raman Spectroscopy, Scanning Electronic Microscopy (SEM), Transmission Electronic Microscopy (TEM) and photoluminescence spectroscopy (emission and excitation spectra, quantum yields and fluorescence decay times). In particular, nanowires and nanoparticles nanowires and nanoparticles of GdPO4:Eu3+, GdPO4:Tb3+ have been developed, as well as powders of YPO4:Tb3+ powders with monoclinic, hexagonal or tetragonal phases. It has been demonstrated a significant influence of the crystalline structure and morphology phosphors on their optical properties. Powders with different morphology were used as fillers for preparing luminescent composite polymer/phosphors films. By adjusting the orthophosphates formulation and dopant nature of ions, phosphors providing near perfect white light under UV excitation could be obtained. All of this work clearly shows the potential applications of these materials in devices based on a plasma excitation source or light emitting diode technology.


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