Elaboration des matériaux photosensibles organiques-inorganiques pour les applications en photonique
Institution:
Paris 13Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The presented study is devoted to the elaboration by sol-gel process of nanoparticulate TiO₂ hybrid materials with well-defined morphology and improved photonic sensitivity. The new approach to the fabrication process has been proposed, which includes 3 main stages: (i) size-selected nanoparticles preparation, (ii) surface groups exchange and (iii) organic polymerization. Three types of hybrids, (1) pHEMA-TiO₂ and (2) pMAPTMS-TiO₂ with the inorganic component in form of isolated 5-nm nanoparticles and (3) pHEMA-TiO₂with the nanoparticles assembled in gel chains were realized. The nanoparticles kinetics was studied by DLS/SLS method. The materials were characterised by SEM/TEM, FTIR, Raman, XRD, NMR and UV-visible spectroscopy methods. The most homogeneous optical-grade hybrids (3) were obtained at high nanoparticle loadings CNP≥8•10¹⁷ cm⁻³. The quantum yield of photoinduced charges separation and charges storage capacity (e⁻/Ti) attain respectively 75% and 25% in best of these systems (3). One- and two- photon laser polymerization has been applied to realise 3D microstructures in the hybrid materials. The obtained structures keep their photochromic properties. The obtained HEMA-TiO₂ hybrids show better efficiency in 2D/3D micropatterning, related to the photoinduced Ti⁴⁺ -Ti³⁺ centres conversion (reversible), whereas MAPTMS-TiO₂hybrids are better suited for 2D/3D micromachining, related to 2-photon laser polymerisation. Further studies of electronic, optic and magnetic properties of the irradiated domains may enable the material applications in photonics, optoelectronics, biomedicine, etc.
Abstract FR:
Cette étude concerne l’élaboration de matériaux hybrides à base de nanoparticules da taille définie de TiO₂ obtenues par la méthode sol-gel conduisant à une amélioration de la photosensibilité. Une nouvelle méthode de fabrication incluant 3 étapes : (i) production de nanoparticules monodisperses, (ii) échange surfacique de ligands, (iii) polymérisation organique, a été proposée. Trois types d’hybrides basés sur des nanoparticules de TiO₂ de 5 nm de diamètre ont été réalisés : (1) pHEMA-TiO₂ et (2) pMAPTMS-TiO₂ (nanoparticules isolées) et (3) pHEMA-TiO₂ (nanoparticules assemblées dans un gel). La cinétique des nanoparticules a été suivie par DLS/SLS. Les matériaux hybrides ont été caractérisés par SEM/TEM, FTIR, Raman, XRD, RMN et UV-Visible. Le matériau le plus homogène optiquement est obtenu pour de fortes concentrations CNP≥8•10¹⁷ cm⁻³. Le rendement quantique de la séparation des charges photo-induits et la capacité de stockage des électrons (e⁻/Ti) atteignent respectivement 75 % et 25 % dans le meilleur des cas. Des microstructures hybrides 3D ont été réalisées par photopolymérisation Laser à un et deux photons. Ces structures conservent leurs propriétés photochromes. Les hybrides pHEMA-TiO₂ sont mieux adaptés à la 2D/3D « micropatterning », du fait de la conversion des centres photo-induits Ti⁴⁺ -Ti³⁺ (réversible) alors que les hybrides pMAPTMS-TiO₂le sont plutôt pour la 2D/3D « micromachining » lié à la polymérisation à deux photons. Les études des propriétés électroniques, optiques et magnétiques des hybrides irradiés pourront conduire vers des applications en photonique, optoélectronique, biomédecine, etc.