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La luminescence pyroélectrique médiée par l’effet Poole-Frenkel.

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Atantawi, Membarka (2018). La luminescence pyroélectrique médiée par l’effet Poole-Frenkel. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 64 p.

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Résumé

L’émission de lumière par des matériaux révèle une richesse d’information sur la composition, la structure et l’orientation. L’ensemble de phénomènes est surnommé « luminescence » avec des préfixes qui identifient la nature de la source d’excitation. La photoluminescence est certainement la mieux connue indiquant que l’émission est excitée par une source de lumière. D’autres phénomènes de luminescence sont surnommés chimie-, électro-, cathodo-, tribo-, ou thermoluminescence. L’origine de l’émission ne provient pas toujours du volume de l’échantillon, mais pourrait p.ex. comme dans le cas de la triboluminescence venir de la surface où un champ électrique dépasse le seuil de claquage dans l’atmosphère ambiante ce qui donne suite à une éclaire microscopique.[1][2] En général, l’énergie d’excitation dépasse l’énergie d’émission, mais pour le cas de la luminescence thermique (“thermally stimulated luminescence”), l’échantillon est illuminé à basse température (typiquement à la température de l’azote liquide, 77K, ou bien l’hélium liquide, 4,2K) avec une énergie qui dépasse la bande interdite et qui crée des pairs électron-trou. Les deux peuvent soit recombiner spontanément donnant une photoluminescence ou être piégés de façon métastable dans des défauts cristallins (souvent des substitutions aliovalentes)[3]. Le niveau de certains de ces défauts varient en fonction dans leur énergie par rapport au niveau de Fermi ou de la band de valence et pour certains de ces défauts l’énergie thermique à basse température ne suffit pas pour exciter les porteurs de charge de ces défauts. En augmentant la température et l’énergie thermique (distribuée selon Boltzmann), les porteurs de charge sont thermiquement excités au fur et à mesure donnant une émission de lumière jusqu’à l’épuisement de la population de ces porteurs de charges. Ce phénomène, qui est très bien documenté dans la littérature [3][4][5] donne des émissions dans une certaine bande de température, ce qui permet de déterminer la profondeur du niveau thermique par rapport à la bande de conduction (pour les électrons) ou la bande de valence (pour les trous). Cette émission ne peut fonctionner que sur une augmentation de température, car un refroidissement diminuerait l’énergie thermique ce qui ne donnerait accès qu’aux défauts qui étaient déjà thermiquement excités. Il est possible de voir plusieurs défauts différents émettre de la lumière ce qui peut causer des émissions dans de multiples bandes de température [3][4][5]. L’énergie des photons émis est proche des énergies de photoluminescence, c’est pourquoi il est important de constater que l’énergie d’excitation est la somme de l’énergie d’illumination à basse température et l’énergie thermique (qui est très faible comparée à celle de la photoexcitation). Il était donc une surprise quand des chercheurs ont pu observer une émission de lumière apercevable à l’oeil nu en changeant la température pour des matériaux pyroélectriques [6]. Ce changement de température peut être positif (échauffement) au négatif (refroidissement). Peu après cette première observation, il était constaté que la luminescence provenait partiellement d’un claquage électrique dans l’atmosphère ambiante qui porte la signature spectrale de l’azote (avec 80% le composant principal de l’atmosphère ambiante). La théorie décrivant ce phénomène est très bien présentée dans [7]. Un matériau pyroélectrique est une structure au moins fortement orientée (comme p.ex. le polymère PVDF-TrFE) mais plus souvent cristalline avec un axe polaire. Cet axe polaire correspond à un dipôle à l’échelle du motif cristallin et se traduit à travers le théorème de Gauss dans une densité de charge de surface (l’intégrale volumique de la polarisation se traduit dans un intégral surfacique de charges). Pour que cette propriété, qui est représentée par un tenseur de premier rang puisse exister, il est nécessaire que la structure cristalline soit non-centrosymétrique. Patel et Hanson [8] ont ensuite découvert que la luminescence pyroélectrique décrit deux types d'émission de lumière. Un premier type d'émission, des étincelles prononcées, visible à l'oeil nu, concerne les décharges du champ pyroélectrique à travers l'atmosphère ambiante. Sous vide poussé, les étincelles deviennent clairsemées et finissent par s'arrêter. Pour les échantillons préalablement éclairés (excitation bande-bande pour créer des états piégés de façon métastable), une émission continue, même très faible, est observable. Pour une plage de pression intermédiaire, les deux phénomènes coexistent également. Nous présentons un modèle provisoire pour décrire la nature de cette émission faible qui manque encore d'interprétation plus de 30 ans après qu'il a été d'abord systématiquement étudié. Notre modèle est basé sur la superposition de l’émission thermique (uniquement pour un changement de température positif) et une émission assistée par le champ pyroélectrique à travers l'effet de Poole-Frenkel ce qui provoque l'émission de capteurs à partir de pièges profonds. Le modèle est provisoire dans le sens qu’il prend correctement en compte toutes les observations qualitatives, y compris la dynamique de cette luminescence et sa sensibilité aux transitions de phase [9]. Le modèle ne prend pas encore en compte les dépendances en fonction de la température des propriétés de matériaux tel que la permittivité diélectrique, la susceptibilité diélectrique, la conductivité électrique, le coefficient pyroélectrique ainsi que les variations du taux de changement de température. La plus grande influence de ces paramètres soulève du coefficient pyroélectrique qui est divergeant aux transitions de phase polaires. Nous avons donc choisi deux matériaux pyroélectriques différents dans le sens que le niobate de lithium n’a aucune transition de phase entre 77K et 500K tandis que le titanate de baryum en a plusieurs. Le premier objectif de cette maitrise est donc de vérifier la présence de cette émission due à un effet Poole-Frenkel (bien qu’on puisse s’y attendre, la présence nécessaire de défauts ‘profonds’ n’est pas documentée dans les spécifications des échantillons car il s’agit presque toujours des contaminations non-intentionnelles). Le deuxième objectif est de chercher une corrélation entre les températures de transition de phase dans le titanate de baryum et une augmentation de la luminescence. Nous présentons des résultats sur le niobate de lithium et le titanate de baryum monocristallin dans une plage de température de 77 K à 500 K dans des conditions différentes : pour un échauffement et pour un refroidissement, ainsi qu’avec et sans illuminations précédente. Nous avons choisi deux sources d’illumination, une source avec et une source sans émission UV. Sur le plan théorique, nous identifions la plage de paramètres dans laquelle l’émission continue peut persister. Il s'avère dépendre de manière critique d'une variété de paramètres de matériaux incluant le coefficient pyroélectrique, la permittivité, l'indice de réfraction et la conductivité.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Ruediger, Andreas
Mots-clés libres: énergie et matériaux
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 25 juill. 2019 18:04
Dernière modification: 25 juill. 2019 18:04
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/8449

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