Design of gold-silica core-shell nanostructures doped with rare earth ions for luminescence exaltation in the context of specialty optical fibers.
Elaboration de nanostructures cœur-couronne or-silice dopées par des ions lanthanides pour l'exaltation de la luminescence dans les fibres optiques de spécialité.
Résumé
This work is part of the Fenoptic ANR project, which aims at taking advantage of the plasmonic properties of metallic nanoparticles incorporated into optical fibers. Optical signals attenuation occurring for long distances propagation is usually overcome by re-amplification. Optical amplification is based on rare earth ions stimulated emission. This work aims at improving the amplification process in optical fibers by efficiently coupling lanthanide ions with metallic nanoparticles to enhance their luminescence properties. Original multilayer nanostructures made of a gold core coated with sol-gel silica shells, either pure or doped with lanthanide ions, were specifically designed by soft chemistry. The size and shape of the gold nanoparticles, along with the thickness and doping rate of the silica shells, were finely controlled. Stable core-shell suspensions were thus obtained. Optical reference nanostructures were also prepared by gold core dissolution. These nanostructures are then incorporated into sol-gel silica matrices with high optical quality to study their photoluminescence intensities and lifetime decay profiles. Strong europium (III) luminescence quenching is observed for a 2 nm spacer between the gold nanospheres and the lanthanide ions. This extinction slightly decreases as the coupling distance increases, but still occurs for a 28 nm buffer layer thickness. Incorporation of the nanostructures into optical fibers silica cores was evaluated for a high-temperature process patented by Draka. Some preliminary trials were also conducted on a semi-industrial sol-gel process.
Cette thèse participe au projet ANR Fenoptic qui vise à exploiter les propriétés plasmoniques de nanoparticules métalliques incorporées dans des fibres optiques de spécialité. Actuellement, afin de limiter l'atténuation du signal à longue distance, celui-ci est ré-amplifié à intervalles réguliers par émission stimulée d'ions lanthanides dispersés dans le cœur des fibres. L'objectif de ce travail de thèse est d'améliorer l'efficacité de l'amplification du signal en exaltant l'émission des ions luminescents grâce à un couplage efficace avec le cœur métallique. Des nanostructures multicouches originales consistant en une nanoparticule d'or enrobée de couronnes de silice pures ou dopées par des ions lanthanides ont été développées par chimie douce. La forme et la taille des cœurs d'or, ainsi que l'épaisseur et le taux de dopage des couronnes de silice ont été finement contrôlés en solution, et des suspensions stables ont été obtenues. Des références optiques ont de plus été mises au point par dissolution du cœur d'or. Ces nanostructures sont insérées dans des matrices de silice sol-gel de qualité optique et caractérisées par spectroscopie d'émission et déclin de luminescence. Une forte extinction de la luminescence de l'europium (III) est observée à une distance de 2 nm de nanosphères d'or. Cette extinction diminue légèrement à mesure que la distance de couplage augmente, mais persiste jusqu'à 28 nm au moins. La possibilité d'incorporer ces nanostructures dans des cœurs silice de fibres optiques a été évaluée pour un procédé haute température détenu par Draka. Des essais préliminaires selon un procédé semi-industriel par voie sol-gel ont également été initiés.
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