MAT2016-75586-C4-4-P. Caractérisation de nano-pérovskites d'oxyde et de fluorure dopées avec des ions luminescents dans des conditions extrêmes : application aux systèmes photoniques (EXTREM-NANOPER)

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Ce sous-projet vise à mener des études expérimentales sur des nanoparticules cristallines à base de pérovskites (oxydes et fluorures) dopées avec des ions de terres rares luminescents (TR3+) et des métaux de transition (MT). Leurs propriétés structurales, vibrationnelles et optiques seront analysées dans des conditions ambiantes et sous des pressions (P) et températures (T) extrêmes. Toutes ces mesures sont disponibles dans notre laboratoire. Grâce à leurs multiples propriétés, les nanoparticules de pérovskite trouvent des applications dans divers domaines technologiques, tels que l'énergie solaire photovoltaïque, les capteurs de gaz et le développement de matériaux luminescents pour lasers, convertisseurs infrarouge-visible, amplificateurs optiques ou encore en biomédecine pour l'imagerie in vivo et in vitro. Les nanocristaux se caractérisent par des propriétés uniques, absentes de leurs homologues massifs. Du point de vue de la luminescence, le rendement quantique de ces matériaux dans la gamme spectrale étudiée (UV-Vis-NIR) est un facteur déterminant de leur potentiel d'application. Ce paramètre dépend de nombreux facteurs, tels que la composition, la taille des nanocristaux, la localisation et la distribution des ions dopants, les défauts de la matrice, etc. Par conséquent, une étude rigoureuse est nécessaire, englobant non seulement les propriétés optiques, mais aussi les propriétés structurales, mesurées par diffraction des rayons X (DRX), et les propriétés vibrationnelles, mesurées par spectroscopie Raman et infrarouge (Raman et FTIR). Les techniques haute pression, appliquées à la luminescence, à la DRX et à la spectroscopie Raman, permettent la modulation continue des propriétés luminescentes, structurales et vibrationnelles, respectivement, offrant ainsi une meilleure compréhension de la corrélation entre la structure et les propriétés luminescentes. Le plan de travail peut être décrit comme suit :

• Synthèse de nanocristaux de pérovskite dopés avec des ions TR et MT, en particulier MSnO3 (M = Ca, Sr, Ba), YAlO3 (YAP) et KZnF3, en utilisant différentes techniques.
• Caractérisation structurale (DRX), caractérisation vibrationnelle (Raman et FTIR), caractérisation optique (mesures d'absorption, luminescence, dynamique temporelle) dans des conditions ambiantes et extrêmes de P et T, caractérisation morphologique (MEB, HRTM et AFM) et techniques de nano-spectroscopie (XANES, EXAFS, XEOL).
• Développement de logiciels dédiés à l'analyse des données XRD dans des conditions de P et T extrêmes (obtention de l'équation d'état et des paramètres structuraux).
• Comparaison des résultats expérimentaux avec les résultats théoriques obtenus par des calculs ab initio réalisés par l'autre sous-projet.
• Étude de l'optimisation des propriétés luminescentes pour des applications spécifiques (capteurs de pression et de température et systèmes à gain optique lorsqu'ils agissent comme dopants dans des microsphères de verre), en fonction de la composition, de la taille des particules, de la concentration et de la distribution du dopant. – Formation de jeunes chercheurs.

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Ce projet repose sur des études expérimentales de nanoparticules cristallines à base de pérovskite (oxydes et fluorures) dopées avec des ions de terres rares luminescents (TR3+) et des métaux de transition (MT). Leurs propriétés structurales, vibrationnelles et optiques seront analysées dans des conditions ambiantes et extrêmes de pression (P) et de température (T). Toutes ces mesures sont disponibles dans notre laboratoire. Grâce à leurs nombreuses propriétés, les nanoparticules de pérovskite sont utilisées dans de nombreux domaines technologiques, tels que l'énergie solaire photovoltaïque, les capteurs de gaz ou le développement de matériaux luminescents pour lasers, convertisseurs infrarouge-visible, amplificateurs optiques ou encore en biomédecine pour l'imagerie in vivo et in vitro. Les nanocristaux se caractérisent par des propriétés uniques, absentes chez leurs homologues massifs. Du point de vue de la luminescence, le rendement quantique dans le domaine optique (UV-Vis-NIR) est un facteur déterminant pour leurs applications potentielles. Ce paramètre dépend de nombreux facteurs tels que la composition, la taille des nanocristaux, la localisation et la distribution des ions dopants, les défauts de la matrice, etc. Il nécessite donc une étude rigoureuse portant non seulement sur les propriétés optiques, mais aussi sur les propriétés structurales, analysées par diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie Raman vibrationnelle et spectroscopie infrarouge (FTIR et Raman). La technique haute pression, appliquée conjointement aux techniques de luminescence DRX et Raman, permet d'ajuster en continu les propriétés de luminescence, tant structurales que vibrationnelles, permettant ainsi une meilleure compréhension de la corrélation entre la structure et les propriétés de luminescence. Le plan de travail peut être décrit comme suit :

• Synthèse de nanocristaux de pérovskites dopées aux ions TR et MT, en particulier MSnO3 (M = Ca, Sr, Ba), YAlO3 (YAP) et KZnF3, par différentes techniques
• Caractérisation structurale (DRX), vibrationnelle (Raman et FTIR), optique (mesures d'absorption, luminescence, dynamique temporelle) dans des conditions ambiantes et extrêmes de P et T, caractérisation morphologique (MEB, HRTM et AFM) et techniques de nanospectroscopie (XANES, EXAFS, XEOL).
• Développement d'un logiciel dédié à l'analyse des données XRD dans des conditions extrêmes de P et T (obtention de l'équation d'état et des paramètres structuraux)
• Comparaison des résultats expérimentaux avec les résultats théoriques issus de calculs ab initio réalisés par l'autre sous-projet.
• Étude de l'optimisation des propriétés luminescentes pour des applications spécifiques (capteurs P et T et systèmes à gain optique comme dopage dans des microsphères de verre), en fonction de la composition, de la taille des particules et de la distribution de la concentration du dopant.
• Formation des jeunes chercheurs

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Chercheur à l'Université de La Laguna

• Inocencio Rafael Martín Benenzuela

Coordinateur de projet

• Daniel Errandonea Ponce (Université de Valence)