rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Étude de l’émission coopérative Y 2 SiO 5 dopé à l’ytterbium
Chercheur : Serge Jandl
Collaborateurs : Ph. Goldner, O. Guillot-Noël et B. Viana (École Nationale Supérieure de Paris)
Étudiants : A. Denoyer et Y. Lévesque
Contact : Serge Jandl; serge.jandl@usherbrooke.ca
Les luminescences infrarouge et visible, résultant d’excitations sélectives des ions d’ytterbium,
sont étudiées dans le monocristal Y 2 SiO 5 (Yb : 5 %) et la couche mince dopée (Yb : 6 %). Les paires
d’ions Yb 3+ -Yb 3+ semblent jouer un rôle majeur dans le transfert d’énergie et l’émission coopérative
confirmant la prééminence des mécanismes de super-échange dans pareils systèmes.
62 | RQMP | projets | Propriétés électroniques et quantiques des matériaux
Les matériaux lasers à base d’ions Yb 3+ présentent de
nombreux avantages résultant de leur structure électronique
simplifiée formée de deux ensembles de niveaux 2 F 7/2 pour
l’état fondamental et 2 F 5/2 pour l’état excité. Le nombre réduit
de niveaux électroniques atténue les processus non-radiatifs
et minimise la dégradation des processus d’émissions luminescentes.
Récemment, Y 2 SiO 5 sous forme monocristalline
et couche mince dopé à l’ytterbium (Yb:YSO) a été étudié
en spectroscopie Raman et transmission infrarouge. En particulier,
les niveaux du champ cristallin des deux ions d’YYb 3+
occupant deux sites inéquivalents (I, II) dans Y 2 SiO 5 ont été
détectés avec leurs répliques vibroniques. Aussi des paires
d’ions Yb 3+ -Yb 3+ couplées magnétiquement ont été observées.
La luminescence coopérative, produite par deux ions
d’ytterbium, désigne un processus dans lequel deux ions
d’Yb 3+ excités transitent vers leur état fondamental en émettant
un photon qui correspond à la somme des énergies des
deux transitions individuelles. Ainsi, une radiation infrarouge
incidente se retrouve convertie par ce processus en radiation
visible. Depuis que cette émission coopérative a été observée
dans YbPO 4 , d’autres matrices hôtes dopées à l’ytterbium ont
été étudiées sous excitation infrarouge résultant en une luminescence
coopérative centrée, autour de 500 nm. Une théorie
générale basée sur des interactions multipole-multipole entre
les électrons 4f dans les lanthanides, a été développée. Elle
a été récemment appliquée à CsCdBr 3 dopé à l’ytterbium en
comparant les mesures expérimentales de la luminescence
aux prédictions théoriques mettant en jeu les interactions
dipole-quadrupole et dipole-dipole forcé. Une approche théorique
différente à la luminescence coopérative, basée sur une
généralisation de la théorie de super-échange entre dimères
d’ions lanthanide à travers des liaisons oxygène a été proposée
et pourrait être testée dans les orthosilicates tel Y 2 SiO 5 . Ce
dernier cristallise dans le groupe spatial monoclinique C2/c,
les ions Yb 3+ occupant également deux sites non-équivalents
Y I et Y II de symétrie C 1 . Selon les résultats préliminaires d’absorption
infrarouge de Yb:YSO, (voir la figure ci-jointe), en plus
des bandes d’absorption associées aux ions isolés Yb I et Yb II
autour de 10189 et 10215 cm -1 respectivement, la présence
de paires Yb 3+ -Yb 3+ interagissant est manifeste à travers des
bandes d’absorption satellites (e.g.10206 and 10220 cm -1 )
localisées à D + J/2 et D - 3J/2, avec D correspondant à la transition
champ cristallin de l’ion Yb 3+ isolé et J à la constante du
couplage d’échange inter-paire.
Dans ce projet nous nous consacrons à l’étude de la luminescence
coopérative de la couche mince Yb 6 % : YSO et du
monocristal Yb 5 % : YSO. En comparant les caractéristiques
des émissions infrarouge et visible suite à des excitations
sélectives, le rôle des ions isolés ainsi que celui des paires
couplées magnétiquement sont étudiés afin de valider la
nouvelle théorie basée sur le super-échange et son incidence
sur les applications.
Spectres de transmission infrarouge à T = 13 K du monocristal Yb 5 % : YSO (a) et
de la couche mince Yb 6 % : YSO (b). Les bandes d’absorption des ions Yb 3+ isolés
dans les sites I and II sont indiquées.
Référence
• “Annealing optical effects on Yb-doped Y 2SiO 5 thin films”, A. Denoyer, S. Jandl,
F. Thibault et D. Pelenc,
J. Phys: Condens. Matter 19, 156222 (2007).