Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide - LPCES

1 : Défauts ponctuels des verres de silice (E. Régnier, G. Manolescu, L. Favaro)

La première étape cinétique de l’interaction d’un laser avec un matériau est une photoabsorption. Dans les verres de silice, l’espèce absorbante est un défaut ponctuel (le verre, quoique de structure désordonnée, possède néanmoins un ordre à courte distance qui permet d’utiliser le terme “ défaut ”). L’absorption produit une luminescence dont l’étude nous permet de suivre cette première étape.


fig1

Figure 1: Dispositif expérimental sur la ligne SA61 du LURE pour mesurer la luminescence au cours de l'irradiation laser.

Les principaux résultats obtenus sont décrits brièvement ci-dessous :

- mise en évidence d'une multiplicité des défauts luminescents
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Figure 2 : Les spectres d'excitation de la luminescence dans la silice dopée Germanium font apparaître plusieurs structures. Leur décomposition gaussienne permet de les relier à des défauts dont la plupart sont déjà connus

- découverte d'un nouveau défaut dans les verres pour fibres optiques. Il a été caractérisé par sa signature spectroscopique.
fig3
Figure 3 : Au contraire de la figure précédente, le spectre d'excitation ci-dessus, enregistré en fonction de la longueur d'onde d'émission, permet de mettre en évidence une excitation à 274 nm associée à une émission vers 450 nm d'un défaut de structure inconnue.
- corrélation des variations de luminescence avec le dopage (Ge, B) ou avec la température.
fig4
Figure 4 : On remarque sur ce spectre d'excitation une différence importante de la distribution des intensités par rapport à la figure ci-dessus; elle est due à la présence de fluor.
- mise en évidence de l'effet de l'hydrogène sur la photosensibilité U.V. de la luminescence (expérience in situ)
        fig5
Figure 5 : Un traitement sous hydrogène haute pression à l'ambiante confère à la silice dopée germanium une forte photosensibilité aux UV. On peut voir sur le spectre d'excitation ci-dessus que les principaux défauts sont blanchis mais qu'une composante croit vers 215 nm. 16 mars, 2007 ">16 mars, 2007-rech-1_Rech-sili-fig6a.jpg" alt="fig6a" width="306" height="250">
- calcul d'équilibres entre défauts : équilibre entre la lacune d'oxygène et le silicium bicoordonné (J. Garapon).
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Figure 6a : Lacune d'oxygène neutre
Figure 6b : Atome de silicium en coordinence deux
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Figure 6c : Schéma de niveaux d'énergie du défaut ci-dessus
Figure 6d : Schéma de niveaux d'énergie du défaut ci-dessus
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Figure 6e : Chemin réactionnel reliant les deux défauts (calcul ab initio). On observe qu'il est possible de passer de l'un à l'autre par une transformation locale à travers une barrière d'activation faible


Les résultats sont interprétés en collaboration avec des chercheurs de renommée internationale dans ce domaine: Vladimir Sulimov (Académie des Sciences-Moscou - utilisation de méthodes semi-empiriques), Anatoly Trukhin (découvreur de l’exciton autopiégé, Université de Riga), Cesare Pisani (Laboratoire de Chimie théorique de Turin, créateur du programme ab-initio EMBED), V. Khavryutchenko.
L'objectif global des calculs théoriques est la détermination des structures de défauts ayant une activité dans les mécanismes photo-chimiques ou photo-physiques conduisant à un changement d'indice de réfraction.

Pour en savoir plus :

Anatoly Trukhin, Bertrand Poumellec, Energy transport in silica to oxygen-deficient luminescence centers. Comparison with other luminescence centers in silica and -quartz. Solid State Communications, 129, p.285-289

Study of the germanium luminescence in silica: from non-controlled impurity to germano-silicate core of telecommunication fiber preform. A. Trukhin, B. Poumellec, J. Garapon. Journal of Non Crystalline Solids. In press

Comparaison of UV optical absorption and UV excited luminescence behaviours in Ge doped silica under H2 loading or CW UV laser irradiation. B. Poumellec, M. Douay, J. C. Krupa, J. Garapon, P. Niay. J. Non-Crystalline Solids 317 p. 319-334

Observation of a new photoluminescence band at 320 nm under 270 nm excitation in Ge-doped silica glass. Garapon, J., Poumellec, B. Vacher, S. Trukhin, A. N. J. Non-Crystalline Solids 311, 83-88

Structure simulation of silica glasses: approach to CVD. V. Khavryutchenko, J. Garapon, B. Poumellec. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 9, (2001) 465-483.

Thermodynamic analysis of hole trapping in SiO2 films on silicon. G. Boureau, S. Carniato, N. Capron, J. Garapon, B. Poumellec. Journal of Applied Phyics 89, (2001) 165-168.

270 nm absorption and 432 nm luminescence bands in doped silica glasses. B. Poumellec, V.M. Mashinsky, A. N. Trukhin, PH. Guenot. Journal of Non-Crystalline Solids 239 (1998) 84-90