Development of polarized nanoemitters as probes for orientation measurements
Développement de nanoémetteurs polarisés pour leur application comme sondes d'orientation
Résumé
Luminescent nanoparticles have been studied for their applications in lighting devices or as probes in biology. Among these nanoparticles, the anisotropic crystals doped with lanthanides ions emit linearly polarized light. The relation between the polarized directions and the crystallographic axis of the nanocrystals allow determining their 3D orientation, which could be an asset to track objects or to characterize flows.The purposes of this thesis were to investigate the origin of the polarized light of nanorods of lanthanum phosphate doped with europium ions (LaPO4:Eu) and to apply this polarized light to determine their orientation.First, nanorods of LaPO4:Eu are synthesized and aligned to prepare oriented films. The phase transition of the LaPO4 matrix is investigated, from the hexagonal to the monoclinic structure. The luminescence is used to track precisely the transition and show the presence of structural defects. Then the polarized spectra are observed. The polarization degrees of the monoclinic phase are higher than those of the hexagonal one. The sensitivity of the polarization with the dielectric medium is also shown.Then, the polarized light is used to determine the orientation of the nanorods. The knowledge of the polarized spectra along he nanorods axis and perpendicularly to it is used to calculate the order parameter of disoriented nanorods in a microfluidic channel and then to estimate the shear rate of the flow. Our study allows quantifying the conditions in which the nanorods can be used as probes to measure the local shear rate.
Les nanoparticules luminescentes sont particulièrement étudiées pour leur application dans les systèmes d’éclairages ou comme sondes en bio-imagerie. Parmi elles, les nanoparticules anisotropes de matrices cristallines dopées par des ions lanthanides présentent une émission polarisée, qui dépend de la symétrie des sites des ions émetteurs. Le lien entre direction de polarisation et axes cristallins des nanocristaux permet de déterminer leur orientation, et peut donc être exploité pour suivre l'orientation d’objets ou pour caractériser la déformation de milieux hôtes.Les objectifs de ce doctorat ont été de s’intéresser aux origines fondamentales de l’émission polarisée de nanobâtonnets de phosphate de lanthane dopés par des ions europium trivalents (LaPO4:Eu) et d’utiliser la luminescence polarisée à des mesures d’orientation.Dans une première partie, les nanobâtonnets de LaPO4:Eu ont été synthétisés puis alignés sous forme des films orientés. La luminescence de ces films a permis de suivre avec précision la transition de phase de la matrice hôte, de sa structure hexagonale à une structure monoclinique ; et de mettre en évidence la présence de défauts structuraux. La polarisation des spectres de luminescence a ensuite été étudiée. Les taux de polarisation mesurés sont plus élevés pour la phase monoclinique que pour la phase hexagonale. La sensibilité du spectre de polarisation au milieu diélectrique qui les entoure a été mise en évidence.La seconde partie de cette étude porte sur l’utilisation de la polarisation des nanobâtonnets de LaPO4:Eu pour déterminer leur orientation. La connaissance des spectres polarisés des films parfaitement alignés a permis de déterminer le paramètre d’ordre d’une suspension de nanobâtonnets désordonnés en écoulement dans un canal microfluidique puis d’estimer le taux de cisaillement de cet écoulement. Notre étude a permis de préciser quantitativement les conditions dans lesquelles l’utilisation de la luminescence polarisée comme sonde locale du taux de cisaillement d’un écoulement est valide.
Origine : Version validée par le jury (STAR)