NIR-Vis Up-Conversion Luminescence in the Yb3+,Er3+ Doped Y2O2S, ZrO2, and NaYF4 Nanomaterials

Since the discovery of the up-conversion phenomenon, there has been an ever increasing interest in up-converting phosphors in which the absorption of two or more low energy photons is followed by emission of a higher energy photon. Most up-conversion luminescence materials operate by using a combination of a trivalent rare earth (lanthanide) sensitizer (e.g. Yb or Er) and an activator (e.g. Er, Ho, Tm or Pr) ion in a crystal lattice. Up-converting phosphors have a variety of potential applications as lasers and displays as well as inks for security printing (e.g. bank notes and bonds). One of the most sophisticated applications of lanthanide up-conversion luminescence is probably in medical diagnostics. However, there are some major problems in the use of photoluminescence based on the direct UV excitation in immunoassays. Human blood absorbs strongly UV radiation as well as the emission of the phosphor in the visible. A promising way to overcome the problems arising from the blood absorption is to use a long wavelength excitation and benefit from the up-conversion luminescence. Since there is practically no absorption by the whole-blood in the near IR region, it has no capability for up-conversion in the excitation wavelength region of the conventional up-converting phosphor based on the Yb3+ (sensitizer) and Er3+ (activator) combination. The aim of this work was to prepare nanocrystalline materials with high red (and green) up-conversion luminescence efficiency for use in quantitative whole-blood immunoassays. For coupling to biological compounds, nanometer-sized (crystallite size below 50 nm) up-converting phosphor particles are required. The nanocrystalline ZrO2:Yb3+,Er3+, Y2O2S:Yb3+,Er3+, NaYF4:Yb3+,Er3+ and NaRF4-NaR’F4 (R: Y, Yb, Er) materials, prepared with the combustion, sol-gel, flux, co-precipitation and solvothermal synthesis, were studied using the thermal analysis, FT-IR spectroscopy, transmission electron microscopy, EDX spectroscopy, XANES/EXAFS measurements, absorption spectroscopy, X-ray powder diffraction, as well as up-conversion and thermoluminescence spectroscopies. The effect of the impurities of the phosphors, crystallite size, as well as the crystal structure on the up-conversion luminescence intensity was analyzed. Finally, a new phenomenon, persistent up-conversion luminescence was introduced and discussed. For efficient use in bioassays, more work is needed to yield nanomaterials with smaller and more uniform crystallite sizes. Surface modifications need to be studied to improve the dispersion in water. On the other hand, further work must be carried out to optimize the persistent up-conversion luminescence of the nanomaterials to allow for their use as efficient immunoassay nanomaterials combining the advantages of both up-conversion and persistent luminescence.

Defining the keyhole modes – the effects on the weld geometry and the molten pool behaviour in high power laser welding of stainless steels

Keyhole welding, meaning that the laser beam forms a vapour cavity inside the steel, is one of the two types of laser welding processes and currently it is used in few industrial applications. Modern high power solid state lasers are becoming more used generally, but not all process fundamentals and phenomena of the process are well known and understanding of these helps to improve quality of final products. This study concentrates on the process fundamentals and the behaviour of the keyhole welding process by the means of real time high speed x-ray videography. One of the problem areas in laser welding has been mixing of the filler wire into the weld; the phenomena are explained and also one possible solution for this problem is presented in this study. The argument of this thesis is that the keyhole laser welding process has three keyhole modes that behave differently. These modes are trap, cylinder and kaleidoscope. Two of these have sub-modes, in which the keyhole behaves similarly but the molten pool changes behaviour and geometry of the resulting weld is different. X-ray videography was used to visualize the actual keyhole side view profile during the welding process. Several methods were applied to analyse and compile high speed x-ray video data to achieve a clearer image of the keyhole side view. Averaging was used to measure the keyhole side view outline, which was used to reconstruct a 3D-model of the actual keyhole. This 3D-model was taken as basis for calculation of the vapour volume inside of the keyhole for each laser parameter combination and joint geometry. Four different joint geometries were tested, partial penetration bead on plate and I-butt joint and full penetration bead on plate and I-butt joint. The comparison was performed with selected pairs and also compared all combinations together.

Low-level red laser therapy alters effects of ultraviolet C radiation on Escherichia coli cells

Low-level lasers are used at low power densities and doses according to clinical protocols supplied with laser devices or based on professional practice. Although use of these lasers is increasing in many countries, the molecular mechanisms involved in effects of low-level lasers, mainly on DNA, are controversial. In this study, we evaluated the effects of low-level red lasers on survival, filamentation, and morphology of Escherichia colicells that were exposed to ultraviolet C (UVC) radiation. Exponential and stationary wild-type and uvrA-deficientE. coli cells were exposed to a low-level red laser and in sequence to UVC radiation. Bacterial survival was evaluated to determine the laser protection factor (ratio between the number of viable cells after exposure to the red laser and UVC and the number of viable cells after exposure to UVC). Bacterial filaments were counted to obtain the percentage of filamentation. Area-perimeter ratios were calculated for evaluation of cellular morphology. Experiments were carried out in duplicate and the results are reported as the means of three independent assays. Pre-exposure to a red laser protected wild-type and uvrA-deficient E. coli cells against the lethal effect of UVC radiation, and increased the percentage of filamentation and the area-perimeter ratio, depending on UVC fluence and physiological conditions in the cells. Therapeutic, low-level red laser radiation can induce DNA lesions at a sub-lethal level. Consequences to cells and tissues should be considered when clinical protocols based on this laser are carried out.

Low-intensity red and infrared laser effects at high fluences on Escherichia coli cultures

Semiconductor laser devices are readily available and practical radiation sources providing wavelength tenability and high monochromaticity. Low-intensity red and near-infrared lasers are considered safe for use in clinical applications. However, adverse effects can occur via free radical generation, and the biological effects of these lasers from unusually high fluences or high doses have not yet been evaluated. Here, we evaluated the survival, filamentation induction and morphology of Escherichia coli cells deficient in repair of oxidative DNA lesions when exposed to low-intensity red and infrared lasers at unusually high fluences. Cultures of wild-type (AB1157), endonuclease III-deficient (JW1625-1), and endonuclease IV-deficient (JW2146-1) E. coli, in exponential and stationary growth phases, were exposed to red and infrared lasers (0, 250, 500, and 1000 J/cm2) to evaluate their survival rates, filamentation phenotype induction and cell morphologies. The results showed that low-intensity red and infrared lasers at high fluences are lethal, induce a filamentation phenotype, and alter the morphology of the E. coli cells. Low-intensity red and infrared lasers have potential to induce adverse effects on cells, whether used at unusually high fluences, or at high doses. Hence, there is a need to reinforce the importance of accurate dosimetry in therapeutic protocols.

Thick Section Laser Beam Welding of Structural Steels: Methods for Improving Welding Efficiency

Laser beam welding (LBW) is applicable for a wide range of industrial sectors and has a history of fifty years. However, it is considered an unusual method with applications typically limited to welding of thin sheet metal. With a new generation of high power lasers there has been a renewed interest in thick section LBW (also known as keyhole laser welding). There was a growing body of publications during 2001-2011 that indicates an increasing interest in laser welding for many industrial applications, and in last ten years, an increasing number of studies have examined the ways to increase the efficiency of the process. Expanding the thickness range and efficiency of LBW makes the process a possibility for industrial applications dealing with thick metal welding: shipbuilding, offshore structures, pipelines, power plants and other industries. The advantages provided by LBW, such as high process speed, high productivity, and low heat input, may revolutionize these industries and significantly reduce the process costs. The research to date has focused on either increasing the efficiency via optimizing process parameters, or on the process fundamentals, rather than on process and workpiece modifications. The argument of this thesis is that the efficiency of the laser beam process can be increased in a straightforward way in the workshop conditions. Throughout this dissertation, the term “efficiency” is used to refer to welding process efficiency, specifically, an increase in efficiency refers an increase in weld’s penetration depth without increasing laser power level or decreasing welding speed. These methods are: modifications of the workpiece – edge surface roughness and air gap between the joining plates; modification of the ambient conditions – local reduction of the pressure in the welding zone; modification of the welding process – preheating of the welding zone. Approaches to improve the efficiency are analyzed and compared both separately and combined. These experimentally proven methods confirm previous findings and contribute additional evidence which expand the opportunities for laser beam welding applications. The focus of this research was primarily on the effects of edge surface roughness preparation and pre-set air gap between the plates on weld quality and penetration depth. To date, there has been no reliable evidence that such modifications of the workpiece give a positive effect on the welding efficiency. Other methods were tested in combination with the two methods mentioned above. The most promising - combining with reduced pressure method - resulted in at least 100% increase in efficiency. The results of this thesis support the idea that joining those methods in one modified process will provide the modern engineering with a sufficient tool for many novel applications with potential benefits to a range of industries.

Feasibility of industrial implementation of laser cutting into paper making machine

Laser cutting implementation possibilities into paper making machine was studied as the main objective of the work. Laser cutting technology application was considered as a replacement tool for conventional cutting methods used in paper making machines for longitudinal cutting such as edge trimming at different paper making process and tambour roll slitting. Laser cutting of paper was tested in 70’s for the first time. Since then, laser cutting and processing has been applied for paper materials with different level of success in industry. Laser cutting can be employed for longitudinal cutting of paper web in machine direction. The most common conventional cutting methods include water jet cutting and rotating slitting blades applied in paper making machines. Cutting with CO2 laser fulfils basic requirements for cutting quality, applicability to material and cutting speeds in all locations where longitudinal cutting is needed. Literature review provided description of advantages, disadvantages and challenges of laser technology when it was applied for cutting of paper material with particular attention to cutting of moving paper web. Based on studied laser cutting capabilities and problem definition of conventional cutting technologies, preliminary selection of the most promising application area was carried out. Laser cutting (trimming) of paper web edges in wet end was estimated to be the most promising area where it can be implemented. This assumption was made on the basis of rate of web breaks occurrence. It was found that up to 64 % of total number of web breaks occurred in wet end, particularly in location of so called open draws where paper web was transferred unsupported by wire or felt. Distribution of web breaks in machine cross direction revealed that defects of paper web edge was the main reason of tearing initiation and consequent web break. The assumption was made that laser cutting was capable of improvement of laser cut edge tensile strength due to high cutting quality and sealing effect of the edge after laser cutting. Studies of laser ablation of cellulose supported this claim. Linear energy needed for cutting was calculated with regard to paper web properties in intended laser cutting location. Calculated linear cutting energy was verified with series of laser cutting. Practically obtained laser energy needed for cutting deviated from calculated values. This could be explained by difference in heat transfer via radiation in laser cutting and different absorption characteristics of dry and moist paper material. Laser cut samples (both dry and moist (dry matter content about 25-40%)) were tested for strength properties. It was shown that tensile strength and strain break of laser cut samples are similar to corresponding values of non-laser cut samples. Chosen method, however, did not address tensile strength of laser cut edge in particular. Thus, the assumption of improving strength properties with laser cutting was not fully proved. Laser cutting effect on possible pollution of mill broke (recycling of trimmed edge) was carried out. Laser cut samples (both dry and moist) were tested on the content of dirt particles. The tests revealed that accumulation of dust particles on the surface of moist samples can take place. This has to be taken into account to prevent contamination of pulp suspension when trim waste is recycled. Material loss due to evaporation during laser cutting and amount of solid residues after cutting were evaluated. Edge trimming with laser would result in 0.25 kg/h of solid residues and 2.5 kg/h of lost material due to evaporation. Schemes of laser cutting implementation and needed laser equipment were discussed. Generally, laser cutting system would require two laser sources (one laser source for each cutting zone), set of beam transfer and focusing optics and cutting heads. In order to increase reliability of system, it was suggested that each laser source would have double capacity. That would allow to perform cutting employing one laser source working at full capacity for both cutting zones. Laser technology is in required level at the moment and do not require additional development. Moreover, capacity of speed increase is high due to availability high power laser sources what can support the tendency of speed increase of paper making machines. Laser cutting system would require special roll to maintain cutting. The scheme of such roll was proposed as well as roll integration into paper making machine. Laser cutting can be done in location of central roll in press section, before so-called open draw where many web breaks occur, where it has potential to improve runability of a paper making machine. Economic performance of laser cutting was done as comparison of laser cutting system and water jet cutting working in the same conditions. It was revealed that laser cutting would still be about two times more expensive compared to water jet cutting. This is mainly due to high investment cost of laser equipment and poor energy efficiency of CO2 lasers. Another factor is that laser cutting causes material loss due to evaporation whereas water jet cutting almost does not cause material loss. Despite difficulties of laser cutting implementation in paper making machine, its implementation can be beneficial. The crucial role in that is possibility to improve cut edge strength properties and consequently reduce number of web breaks. Capacity of laser cutting to maintain cutting speeds which exceed current speeds of paper making machines what is another argument to consider laser cutting technology in design of new high speed paper making machines.

Optical and photoelectric properties of dry bacteriorhodopsin sensors

In this thesis, bacteriorhodopsin (BR) photosensor’s optical and electrical properties were studied. The BR sensor consisted of a dry film with BR in polyvinyl alcohol and covered with transparent conductors. In the experiments the BR photocycle was started with two lasers. The characteristics of the BR sensor were measured in two ways. The first approach was theoretical and it required knowing the laser parameters. The second way required assembling a measurement setup for the optical response measurements. However, no measurable results were obtained due to low laser power. The photoelectric response was measured in the experiments with two laser systems and the amplifier was tested. In the experiment with a Cavitar laser, the photoelectric response was obtained. In the experiment with FemtoFiber Pro laser, the photoelectric response was not measured. The expected amplitude of the response was obtained. The experimental data was analyzed and possible solutions for reducing the interference were given.

Far infrared spectroscopy of heavy fermion superconductor CeCoIn5

The optical response to far infrared radiation has been measured on a mosaic of heavy fermion CeColnssingle crystals. The superconducting transition temperature of the crystals has been determined by van der Pauw resistivity and ac-susceptibility measurements as Tc = 2.3 K. The optical measurements were taken above and below the transition temperature using a 3He cryostat and step and integrate Martin-Puplett type polarizing interferometer. The absolute reflectance of the heavy fermion CeColns in the superconducting state in range (0, 100)cm-1 was calculated from the measured thermal reflectance, using the normal state data of Singley et al and a low frequency extrapolation for a metallic material in the Hagen-Rubens regime. By means of Kramers-Kronig analysis the absolute reflectance was used to calculate the optical conductivity of the sample. The real part of the calculated complex conductivity 0-(w) ofCeColns indicates a possible opening of an energy gap close to 50 em-I.

Far infrared spectroscopy of heavy fermion superconductor CeCoIn5 /

The optical response to far infrared radiation has been measured on a mosaic of heavy fermion CeCoIns single crystals. The superconducting transition temperature of the crystals has been determined by van der Pauw resistivity and ac-susceptibility measurements as Tc = 2.3 K. The optical measurements were taken above and below the transition temperature using a ^He cryostat and step and integrate Martin-Puplett type polarizing interferometer. The absolute reflectance of the heavy fermion CeCoIns in the superconducting state in range (0, 100)cm~^ was calculated from the measured thermal reflectance, using the normal state data of Singley et al and a low frequency extrapolation for a metallic material in the Hagen-Rubens regime. By means of Kramers-Kronig analysis the absolute reflectance was used to calculate the optical conductivity of the sample. The real part of the calculated complex conductivity a{u)) of CeCoIns indicates a possible opening of an energy gap close to 50 cm~^.

La Visualisation in vivo des « espèces oxygénées radiculaires» au niveau des cellules ganglionnaires de la rétine.

Titre: La Visualisation in vivo des « espèces oxygénées radiculaires» au niveau des cellules ganglionnaires de la rétine. Le But : Les espèces d'oxygène réactives sont non seulement produites à la suite de la blessure cellulaire, mais servent aussi des molécules faisantes des signes pour une variété de processus critiques, en incluant mitosis et de mort de cellule. Nous avons auparavant dit que la blessure à RGC axons incite un éclatement de superoxyde dans le corps de cellule, probablement de l'origine mitochondrial (Lieven et al, 2006). Nous décrivons maintenant une méthode pour refléter des espèces d'oxygène réactives dans la rétine de l'animal vivant en utilisant un confocal le lisant rapidement du laser ophthalmoscope a appelé la Rétine de Heidelberg Angiograph 2 (HRA2) équipé avec les lasers doubles. La méthodolologie : Après les études préliminaires en utilisant d'autres indicateurs (hydroethidium; HEt) pour les espèces d'oxygène réactives, nous avons essayé de refléter des espèces d'oxygène réactives dans le dans le modèle de vivo l'utilisation 5-(et 6)-chloromethyl-2', 7 '-dichlorodihydrofluorescein diacetate, l'acétyle ester (le CM-H2DCFDA). Un nerf optique de Longs-Evans rats a été écrasé intraorbitalement, en épargnant la circulation retinal. Dans certains rats colliculi supérieur de Longs rats Evans avait été auparavant exposé via craniotomy et surposé avec Gelfoam saturé avec le vert indocyanine (ICG). Aux points de temps variables les animaux ont été injectés intraveineusement ou intravitreally avec HEt ou le CM-H2DCFDA et reflétés avec fluorescein et-ou les filtres d'ICG en utilisant le HRA2. Les résultats: Nous avons démontré le foyer brillant multiple de fluorescence dans la couche de cellule de ganglion quand nous avons rétrogradement étiqueté d'ICG bilatéralement, en indiquant qu'ICG était un colorant rétrogradement transporté qui pourrait être découvert avec le HRA2. Après axotomy et l'injection intravitreal de CM-H2DCFDA, il y avait la fluorescence brillante dans le canal fluorescein dans quelques cellules dans la couche de cellule de ganglion, en accord avec la production d'une ou plusieurs espèces d'oxygène réactives. Les conclusions : RGCs peut être identifié et les niveaux d'espèces d'oxygène réactives mesurés en utilisant une fréquence double confocal Mots-clés : cellules ganglionnaires de la rétine; especes oxygenique radiculaire; la visualisation;

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Développement et caractérisation d’une méthode photonique pour créer des distributions spatiales de protéines

Les cellules sont capables de détecter les distributions spatiales de protéines et ainsi de migrer ou s’étendre dans la direction appropriée. Une compréhension de la réponse cellulaire aux modifications de ces distributions spatiales de protéines est essentielle pour l’avancement des connaissances dans plusieurs domaines de recherches tels que le développement, l’immunologie ou l’oncologie. Un exemple particulièrement complexe est le guidage d’axones se déroulant pendant le développement du système nerveux. Ce dernier nécessite la présence de plusieurs distributions de molécules de guidages étant attractives ou répulsives pour connecter correctement ce réseau complexe qu’est le système nerveux. Puisque plusieurs indices de guidage collaborent, il est particulièrement difficile d’identifier la contribution individuelle ou la voie de signalisation qui est déclenchée in vivo, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes pour reproduire ces distributions de protéines in vitro. Plusieurs méthodes existent pour produire des gradients de protéines solubles ou liées aux substrats. Quelques méthodes pour produire des gradients solubles sont déjà couramment utilisées dans plusieurs laboratoires, mais elles limitent l’étude aux distributions de protéines qui sont normalement sécrétées in vivo. Les méthodes permettant de produire des distributions liées au substrat sont particulièrement complexes, ce qui restreint leur utilisation à quelques laboratoires. Premièrement, nous présentons une méthode simple qui exploite le photoblanchiment de molécules fluorescentes pour créer des motifs de protéines liées au substrat : Laser-assisted protein adsorption by photobleaching (LAPAP). Cette méthode permet de produire des motifs de protéines complexes d’une résolution micrométrique et d’une grande portée dynamique. Une caractérisation de la technique a été faite et en tant que preuve de fonctionnalité, des axones de neurones du ganglion spinal ont été guidés sur des gradients d’un peptide provenant de la laminine. Deuxièmement, LAPAP a été amélioré de manière à pouvoir fabriquer des motifs avec plusieurs composantes grâce à l’utilisation de lasers à différentes longueurs d’onde et d’anticorps conjugués à des fluorophores correspondants à ces longueurs d’onde. De plus, pour accélérer et simplifier le processus de fabrication, nous avons développé LAPAP à illumination à champ large qui utilise un modulateur spatial de lumière, une diode électroluminescente et un microscope standard pour imprimer directement un motif de protéines. Cette méthode est particulièrement simple comparativement à la version originale de LAPAP puisqu’elle n’implique pas le contrôle de la puissance laser et de platines motorisées, mais seulement d’envoyer l’image du motif désiré au modulateur spatial. Finalement, nous avons utilisé LAPAP pour démontrer que notre technique peut être utilisée dans des analyses de haut contenu pour quantifier les changements morphologiques résultant de la croissance neuronale sur des gradients de protéines de guidage. Nous avons produit des milliers de gradients de laminin-1 ayant différentes pentes et analysé les variations au niveau du guidage de neurites provenant d’une lignée cellulaire neuronale (RGC-5). Un algorithme pour analyser les images des cellules sur les gradients a été développé pour détecter chaque cellule et quantifier la position du centroïde du soma ainsi que les angles d’initiation, final et de braquage de chaque neurite. Ces données ont démontré que les gradients de laminine influencent l’angle d’initiation des neurites des RGC-5, mais n’influencent pas leur braquage. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse faciliteront l’utilisation de motifs de protéines liées au substrat dans les laboratoires des sciences de la vie, puisque LAPAP peut être effectué à l’aide d’un microscope confocal ou d’un microscope standard légèrement modifié. Cela pourrait contribuer à l’augmentation du nombre de laboratoires travaillant sur le guidage avec des gradients liés au substrat afin d’atteindre la masse critique nécessaire à des percées majeures en neuroscience.

Spectroscopie ultrarapide cohérente et non linéaire dans les semiconducteurs organiques

Nous avons étudié la cohérence excitonique dans le poly[N- 9’-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole] (PCDTBT). À l’aide d’un modulateur spatial de lumière, nous avons forgé des impulsions lasers ultracourtes permettant de sonder les cohérences du système. Nous nous sommes concentrés sur les propriétés cohérentes des états excitoniques, soit le singulet et l’état à transfert de charge. Nous avons observé que 35 fs après l’excitation, le singulet et l’état à transfert de charge sont toujours cohérents. Cette cohérence se mesure à l’aide de la visibilité qui est de respectivement environ 10% et 30%. De plus, nous avons démontré que les mécanismes permettant de générer du photocourant dans de tels dispositifs photovoltaïques ne sont déjà plus cohérents après 35 fs. Ces mesures révèlent une visibilité inférieure à 3%, ce qui est en deçà de la précision de nos instruments. Nous concluons donc que les états à transfert de charge ne sont pas les états précurseurs à la génération de photocourant, car ceux-ci se comportent très différemment dans les mesures de cohérences.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Electro-Optical Properties of Metal Phthalocyanines and Naphthalocyanines

The thesis deals with the preparation of chemical, optical, thermal and electrical characterization of five compounds, namely metal free naphthalocyanine, vanadyl napthalocyanine, zinc naphlocyanine, europium dinaphthalocyanine, and europium diphthalocyanine in the pristine and iodine-doped forms. Two important technological properties of these compounds have been investigated. The electrical properties are important in applications sensors and semiconductor lasers. Opto-thermal properties assume significance for optical imaging and data recording. The electrical properties were investigated by dc and ac techniques. This work has revealed some novel information on the conduction mechanism in five macrocyclic compounds and their iodine-doped forms. Also useful data on the thermal diffusivity of the target compounds have been obtained by optical techniques.