Synthèse et étude spectroscopique des matériaux solides (CdF2 et SrF2) dopés aux ions de terres rares (Ho3+, Yb3+et Tm3+)
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Date
2014
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Abstract
La présente thèse a pour objectif de travailler sur les propriétés spectroscopiques des matrices
cristallines fluorures de type MF2 (M = Cd, Sr) dopées par des ions luminescents de terres rares. Dans
notre cas, nous avons traité la spectroscopie optique des ions holmium et thulium. Chaque type d’ions a
sa propre problématique de luminescence et sont complètement indépendants. Nous voulons par ce
travail sonder les potentialités de luminescence des ions Ho3+ et des ions Tm3+. Les matrices étudiées
sont des matrices cristallines de structure cubique donnant lieu à une interprétation simple de ses
spectres. Précisément, nous avons étudié deux échantillons sous forme de monocristaux. Il s’agit de
CdF2 : Ho3+(1%), Yb3+(1%) et de CdF2 : Tm3+ (2%). Les ions activateurs Ho3+ et Tm3+ son très riches en
transitions optiques ayant déjà donné lieu à des émissions lasers.
Ces échantillons sont synthétisés par la technique de croissance cristalline dite de Bridgman
directement à partir de poudres commerciales de hautes puretés. Leur long stockage pourrait causer une
oxydation des composés fluorures, c’est pour cela qu’une étape de purification est nécessaire par des
cycles de tirage. Les monocristaux élaborés sont exempts de fractures et de macles lorsqu’ils sont
contrôlés par un système optique polariseur-analyseur. Nous avons dû s’assurer de leur composition
ainsi que leur structure par des expériences de diffraction X sur poudre par la technique de Bragg et le
paramètre de maille ajusté est en accord avec ceux donnés par la littérature.
En spectroscopie optique, nous avons dû enregistrer les spectres d’absorption à température
ambiante pour les deux échantillons. Ces spectres sont exploités par la théorie de Judd-Ofelt afin d’en
déduire les grandeurs spectroscopiques inhérentes à aux deux types d’ions actifs. Les spectres
enregistrés présentent l’absorption successive de tous les multiplets jusqu’à 30 000 cm-1
. Ils ont été
calibrés en section efficace d’absorption et l’ion Ytterbium a une forte section à 974 nm dans le premier
échantillon qui peut donner lieu à une étude de transfert d’énergie par up-conversion dans une future
étude.
Pour ce qui est de l’émission, nous avons enregistré le spectre d’émission des ions holmium par
excitation Stokes faisant suite à un spectre d’excitation qui a permis d’identifier les longueurs d’onde
d’excitation possibles. Un tel spectre est dominé par l’émission verte autour de 545 nm. Les probabilités
de transitions radiatives calculées par la théorie de Judd-Ofelt confirment un tel résultat. Quant à la
dynamique de la fluorescence verte, elle se fait avec une durée de vie expérimentale de 245 µs laissant
présager la présence d’un transfert d’énergie.
Le spectre d’excitation de l’échantillon CdF2 : Tm3+ (2%) fait apparaître deux raies d’excitation
dans le domaine UV. Suite à cette excitation le spectre d’émission dans le domaine UV-visible montre
l’émission des deux niveaux 1D2 et 1G4 en fortes intensités dont les durées de vie expérimentales
avoisinent la demi-milliseconde et leurs rendements quantiques sont très appréciables.