Cathodoluminescence characterization study of point defects in silica-based materials : optical fibers and nanoparticles

par Imene Reghioua

Thèse de doctorat en Optique Photonique et Hyper Fréquences

Sous la direction de Sylvain Girard et de Layla Martin-Samos Colomer.

Soutenue le 12-03-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (laboratoire) , Université Jean Monnet (Saint-Étienne) (Etablissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Hubert Curien [Saint Etienne] / LHC (laboratoire) .

Le président du jury était Youcef Ouerdane.

Le jury était composé de Sylvain Girard, Layla Martin-Samos Colomer, Mattia Fanetti, Antonino Alessi, Aziz Boukenter, Nicolas Richard.

Les rapporteurs étaient Nadège Ollier, Simonpietro Agnello.

  • Titre traduit

    Caractérisation par cathodoluminescence des défauts ponctuels dans les matériaux à base de silice : fibres optiques et nanoparticules


  • Résumé

    L'utilisation récente des fibres optiques (FOs) à base de silice dans des environnements extrêmes, a incité les chercheurs à accélérer leurs études de vulnérabilité. De tels défis sont fortement liés à la bonne compréhension des effets à la fois macroscopiques et microscopiques des différents types de radiations sur la réponse des FOs. Cette thèse de doctorat présente une étude complémentaire aux études précédemment menées sur les différents défauts ponctuels dans les FOs à base de silice par Cathodoluminescence (CL). Cette technique offre la possibilité de détecter les centres luminescents mais aussi de suivre leurs distributions spatiales, leurs cinétiques de création et de guérison en fonction de l'irradiation électronique. Dans ce manuscrit, nous introduisons tout d'abord un résumé des connaissances actuelles sur les défauts liés à la silice pure et différemment dopée.Les détails de notre procédure expérimentale sont discutés dans le 2ème chapitre où nous montrons que les doses déposées lors des mesures CL sont très importantes. Dans le 3ème chapitre nous présentons une étude systématique de la réponse en CL des différentes classes de FOs, dans lesquelles différentes bandes d'émission sont discutées. Le 4ème chapitre traite l'impact d'une variation des conditions d'irradiation électronique sur les centres GLPC, l'un des défauts liés au Ge les plus importants. Enfin, dans le 5ème chapitre, nous avons montré la possibilité de produire des nanoparticules à base de silice par ablation laser, et la capacité de la technique CL de caractériser ce type de matériaux, ce qui ouvre la porte à d'autres utilisations de cette technique pour la caractérisation de nanoparticules.


  • Résumé

    The recent use of silica-based optical fibers (OFs) in harsh environments pushed the researchers to accelerate their vulnerability and hardening studies. Such challenges are strongly linked to the good understanding of the macroscopic as well as the microscopic effects of different types of radiations on the silica-based OF's response. This PhD thesis presents a complementary study to previous researches on the properties of different point defects in silica-based OFs by Cathodoluminescence (CL). Such technique offers the ability to both detect the luminescent centers and to follow their spatial distribution, their growth and decay kinetic as a function of the electron beam characteristics. ln the present manuscript we first summarize the current knowledge regarding point defects in pure silica or silica glass doped with Ge, P, Ce, N or Al. Details of the experimental procedure are discussed in the 2nd chapter in which we highlight that the equivalent dose deposited during the various configuration of CL measurements are very large. ln the 3rd chapter, we perform an overview study of the CL responses of different classes of OFs, in which many emission bands related to the different dopants were discussed. The 4th chapter focuses on the study of the effects of varying beam conditions on the signature of Germanium Lone Pair Center (GLPC), one of the most important Ge-related point defects. Finally, in chapter V, we demonstrate the possibility to produce silica-based nanoparticles by laser ablation process, and the ability of the CL technique to characterize such materials, which opens the door to other employments of this technique for future studies on nanoparticles.


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