Projet ANR-10-BLAN-0811 – GCWEB : Vitrocéramiques à basse énergie de phonon possédant des bandes d’absorption et d’émission ajustables et ultra larges pour la conversion efficace de fréquences
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8) 2010
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Xiang-Hua ZHANG (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE BRETAGNE ET PAYS- DE-LA-LOIRE)
Partenaires : Institut des Sciences Chimiques de Rennes; Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation; Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie; Institut Lumière Matière
Montant : 480000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : C’est un projet de recherche fondamentale visant à démontrer la faisabilité de vitrocéramiques transparentes et innovantes avec une énergie de phonon très faible pour obtenir un rendement de conversion de fréquence élevé et des bandes d’émission et d’absorption très larges et ajustables.
Les matériaux pour la conversion de fréquences sont étudiés depuis des décennies et ils sont maintenant utilisés pour beaucoup d’applications telles que l’affichage, les sources lasers. Plus récemment, ces matériaux ont fait l’objet d’intenses recherches notamment pour l’éclairage à base de LEDs et pour améliorer le rendement de conversion de cellules solaires photovoltaïques. Les matériaux actuellement utilisés ont les inconvénients majeurs suivants : a). Ces matériaux sont basés sur des oxydes avec une énergie de phonon élevée qui est souvent incompatible avec un haut rendement de conversion. b). les absorptions et les émissions dépendent de la nature des ions actifs. Elles ne sont pas ajustables pour mieux s’adapter aux longueurs d’onde de pompage ou pour obtenir une longueur d’onde d’émission précise souhaitée. c). Ces matériaux sont soit des verres, soit des cristaux sans possibilité de combiner les avantages de ces deux états d’un matériau.
L’objectif de ce projet de recherche fondamentale est de démontrer la faisabilité de matériaux dopés aux ions actifs et ayant des bandes d’absorption et d’émission très larges et ajustables. Nous ne visons pas une application spécifique. Cependant, les matériaux que nous proposons de développer peuvent avoir des applications diverses permettant par exemple de mieux utiliser le spectre du Soleil afin d’améliorer le rendement de cellules solaires photovoltaïques, ou de choisir une longueur d’onde d’émission afin d’améliorer le rendu de couleur de LEDs blanches, ou encore de générer de nouvelles sources lasers avec des bandes d’émission très larges.
Nous proposons de développer de nouveaux matériaux luminescents, sous forme massive et en couche mince, dopés aux terres rares divalentes ou/et aux métaux de transition. L’originalité de ce projet réside dans :
-	l’utilisation de vitrocéramiques à base de sulfures que nous avons inventées récemment et brevetées. Ces vitrocéramiques transparentes et uniques possèdent une énergie de phonon très faible (inférieure à 300 cm-1) par rapport aux verres silicates (1100 cm-1) couramment utilisés.
-	l’utilisation d’un nouveau concept pour ajuster les longueurs d’onde d’absorption et d’émission des ions actifs (notamment terres rare divalentes ou métaux de transition) en créant différents environnements chimiques pour ces ions dans une même vitrocéramique. Dans le but d’augmenter le domaine de longueurs d’onde ajustable, nous allons combiner le changement de la cristallinité avec le changement de composition dans une structure en couche mince. A notre connaissance, ce concept est proposé pour la 1ère fois.
Les succès de ce projet dépendront de :
-	l’obtention de différentes vitrocéramiques dopées aux ions actifs avec des absorptions et des émissions très larges d’au moins 200 nm (largeur à mi-hauteur) dans le domaine UV/visible et d’au moins 300 nm dans l’infrarouge. Le sommet du pic d’absorption/émission doit être ajustable dans un domaine de longueur d’onde de 100 nm.
-	L’obtention de couches minces transparentes contenant au moins 30% de cristaux avec un objectif de 50% pour créer un environnement cristallin bénéfique pour les ions actifs. Les pertes optiques dues aux diffusions doivent être très faibles, inférieures à 2% à la longueur d’onde de 1 µm avec une épaisseur d’1 µm par exemple.
-	L’obtention d’un rendement quantique supérieur à 100% avec un objectif de 150% pour la « down conversion » et d’un rendement supérieur à 30% avec un objectif de 40% pour la « up conversion ».
C’est un projet multidisciplinaire incluant la synthèse de matériaux, l’étude structurale, la préparation de couches minces et la caractérisation spectroscopique.