Polymères de coordination et éponge cristalline : de nouveaux matériaux pour la conversion de l’énergie solaire et la résolution de la structure cristalline de composés huileux.

Le premier volet de ce travail portera sur l’expérience acquise lors d’un stage d’étude à Tokyo, au Japon, dans le groupe de recherche du Pr. Makoto Fujita, une sommité d’envergure internationale dans le domaine de l’auto-assemblage. En continuité avec les plus récents travaux du Pr. Fujita, des systèmes poreux auto-assemblés présentant des cavités fonctionnalisées ont été développés dans le but d’encapsuler des acides gras afin d’en déterminer la structure cristalline. Ces éponges ont été caractérisées par des techniques courantes telles que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire 1H, 13C{1H} et Cosy, la spectrométrie de masse, l’analyse élémentaire, la microscopie optique infrarouge ainsi que la diffraction des rayons X. Une autre approche employée pour obtenir de meilleures propriétés spectroscopiques fut la synthèse de dendrimères métalliques de génération 0. Un nouveau ligand de type 1,3,5-triazine a été synthétisé par une réaction typique de cyclisation de nitrile en présence catalytique d’hydrure de sodium. Des espèces mono-, bis- et trinucléaire de Ru(II) furent synthétisés ainsi que deux espèces hétérométalliques de Ru(II)/Pt(II) et de Ru(II)/Os(II). Tous les complexes obtenus furent caractérisés par spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution et par analyse élémentaire. La génération de dihydrogène à partir de l’espèce hétérométallique a été étudiée. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage. Finalement, dans le but d’améliorer les propriétés spectroscopiques d’absorption de complexes métalliques, nous avons synthétisé une série de polymères homo- et hétérométalliques, intégrant des ligands de type bis(2,2’:6,2’’-terpyridine). Les complexes générés furent caractérisés par diverses techniques tel que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution ainsi que par analyse élémentaire. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage.

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.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

INVESTIGATIONS ON THE SOLVENT EXTRACTION AND LUMINESCENCE OF LANTHANOIDS WITH MIXTURES OF HETEROCYCLIC β- DIKETONE S AND VARIOUS NEUTRAL OXO-DONORS

The thesis entitled “ Investigations on the solvent extraction and luminescence of lanthanoids with mixtures of heterocyclic β-diketone S and various neutral oxo-donors” embodies the results of investigations carried out on the solvent extraction of trivalent lanthanoids with various heterocyclic β-diketones in the presence and absence of neutral oxo-donors and also on the luminescent studies of Eu3+-heterocyclic β-diketonate complexes with Lewis bases. The primary objective of the present work is to generate the knowledge base, especially to understand the interactions of lanthanoid-heterocyclic β-diketonates with various macrocyclic ligands such as crown ethers and neutral organophosphorus extractants , with a view to achieve better selectivity. The secondary objective of this thesis is to develop novel lanthanoid luminescent materials based on 3-phenyl-4-aroyl-5-isoxazolones and organophosphorus ligands, for use in electroluminescent devices. In the beginning it describes the need for the development of new mixed-ligand systems for the separation of lanthanoids and the development and importance of novel luminescent lanthanoid- β-diketonate complexes for display devices. The syntheses of various para substituted derivatives of 4-aroyl-5-isoxazolones and their characterization by various spectroscopic techniques are described. It also investigate the solvent extraction behaviour of trivalent lanthanoids with 4-aroyl-5-isoxazolones in the presence and absence of various crown ethers such as 18C6, DC18C6, DB18C6 and B18C6. Elemental analysis, IR and H NMR spectral studies are used to understand the interactions of crown ethers with 4-aroyl-5-isoxazolonate complexes of lanthanoids. The synergistic extraction of trivalent lanthanoids with sterically hindered 1-phenyl-3-methyl-4-pivaloyl-5-pyrazolone in the presence of various structurally related crown ethers are studied. The syntheses, characterization and photyphysical properties of Eu3+-4-aroyl-5-isoxazolonate complexes in the presence of Lewis bases like trictylphosphine oxide or triphenylphosphine oxide were studied.

Luminescence from Surfactant-Free ZnO Quantum Dots Prepared by Laser Ablation in Liquid

Highly transparent, luminescent and biocompatible ZnO quantum dots were prepared in water, methanol, and ethanol using liquid-phase pulsed laser ablation technique without using any surfactant. Transmission electron microscopy analysis confirmed the formation of good crystalline ZnO quantum dots with a uniform size distribution of 7 nm. The emission wavelength could be varied by varying the native defect chemistry of ZnO quantum dots and the laser fluence. Highly luminescent nontoxic ZnO quantum dots have exciting application potential as florescent probes in biomedical applications.

Luminescence tuning and enhanced nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–TiO2

In this article we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnO–TiO2 nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. Emission peaks of ZnO–TiO2 nanocomposites change from 340 nm to 385 nm almost in proportion to changes in Eg. The nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behaviour. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increase with increasing TiO2 volume fraction at 532 nm and can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. ZnO–TiO2 is a potential nanocomposite material for the tunable light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold

Visible luminescence mechanism in nano ZnO under weak confinement regime

We describe the structure of luminescence spectrum in the visible region in nano-ZnO in colloidal and thin film forms under weak confinement regime by modeling the transition from excited state energy levels of excitons to their ground state. Measurements on nanocrystallites indicate the presence of luminescence due to excitonic emissions when excited with 255 nm. The relevant energy levels showing the transitions corresponding to the observed peaks in the emission spectrum of ZnO of particle size 18 nm are identified.

Luminescence studies of strontium sulphide based phosphors for display applications

This thesis has focused on the synthesis and analysis of some important phosphors (nano, bulk and thin film) for display applications. ACTFEL device with SrS:Cu as active layer was also fabricated.Three bulk phosphors: SrS:Cu,CI; SrS:Dy,Cl; and SrS:Dy,Cu,Cl were synthesized and their structural, optical and electrical properties were investigated. Special emphasis was given to, the analysis of the role of defects and charge compensating centers, on the structural changes of the host and hence the luminance. A new model describing the sensitizing behaviour of Cu in SrS:Dy,Cu,Cl two component phosphor was introduced. It was also found that addition of NH4CI as flux in SrS:Cu caused tremendous improvement in the structural and luminescence properties.A novel technique for ACTFEL phosphor deposition at low temperature was introduced. Polycrystalline films of SrS:Cu,F were synthesized at low temperature by concomitant evaporation of host and dopant by electron beam evaporation and thermal evaporatin methods.Copper doped strontium sulphide nanophosphor was synthesized for the first time. Improvement in the luminescence properties was observed in the nanophosphor with respect to it' s bulk counterpart.

Defect analysis of semiconductor thin films for photovoltaic applications using photo-luminescence and photo-conductivity

The present thesis can be divided into three areas:1) the fabrication of a low temperature photo-luminescence and photoconductivity measuring unit 2) photo-luminescence in the chalcopyrite CulnSez and CulnS2 system for defect and composition analysis and 3) photo-luminescence and photo-conductivity of In:JS3. This thesis shows that photo-luminescence is one of most essential semiconductor characterization tool for a scientific group working on photovoltaics. Tools which can be robust, non-destructive, requiring minimal sample preparation for analysis and most informative of the device applications are sought after by industries and this thesis is towards establishing photo-luminescence as "THE" tool for semiconductor characterization. The possible application of photo-luminescence as a tool for compositional and quality analysis of semiconductor thin films has been worked upon by this thesis. Photo-conductivity complement photo-luminescence and together they provide all the information required for the fabrication of an opto-electronic device.

Enhanced luminescence and nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–Cu

In this article, we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnOCu nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. The emission consisted of two peaks. The 385-nm ultraviolet (UV) peak is attributed to ZnO and the 550-nm visible peak is attributed to Cu nanocolloids. Obvious enhancement of UV and visible emission of the samples is observed and the strongest UV emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over three times stronger than that of pure ZnO. Cu acts as a sensitizer and the enhancement of UV emission are caused by excitons formed at the interface between Cu and ZnO. As the volume fraction of Cu increases beyond a particular value, the intensity of the UV peak decreases while the intensity of the visible peak increases, and the strongest visible emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over ten times stronger than that of pure Cu. The emission mechanism is discussed. Nonlinear optical response of these samples is studied using nanosecond laser pulses from a tunable laser in the wavelength range of 450650 nm, which includes the surface plasmon absorption (SPA) band. The nonlinear response is wavelength dependent and switching from reverse saturable absorption (RSA) to saturable absorption (SA) has been observed for Cu nanocolloids as the excitation wavelength changes from the low absorption window region to higher absorption regime near the SPA band. However, ZnO colloids and ZnOCu nanocomposites exhibit induced absorption at this wavelength. Such a changeover in the sign of the nonlinearity of ZnOCu nanocomposites, with respect to Cu nanocolloids, is related to the interplay of plasmon band bleach and optical limiting mechanisms. The SA again changes back to RSA when we move over to the infrared region. The ZnOCu nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behavior. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increases with increasing Cu volume fraction at 532 nm. The observed nonlinear absorption is explained through two-photon absorption followed by weak free-carrier absorption and interband absorption mechanisms. This study is important in identifying the spectral range and composition over which the nonlinear material acts as a RSA-based optical limiter. ZnOCu is a potential nanocomposite material for the light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold.

On the luminescence characteristics of cerium and copper doped barium sulphide phosphor

Photoluminescence, thermoluminescence and phosphorescence studies of cerium and copper doped BaS phosphors are attempted. Cu+ centres in BaS lattice activate red emission while Ce3+ sensitize the blue emission. Results are explained on the basis of superposition theory involving monomolecular kinetics. In Randall and Wilkins model, the decay and TL studies are found to corelate each other.

Role of structural saturation and geometry in the luminescence of silicon-based nanostructured materials

The structural saturation and stability, the energy gap, and the density of states of a series of small, silicon-based clusters have been studied by means of the PM3 and some ab initio (HF/6-31G* and 6-311++G**, CIS/6-31G* and MP2/6-31G*) calculations. It is shown that in order to maintain a stable nanometric and tetrahedral silicon crystallite and remove the gap states, the saturation atom or species such as H, F, Cl, OH, O, or N is necessary, and that both the cluster size and the surface species affect the energetic distribution of the density of states. This research suggests that the visible luminescence in the silicon-based nanostructured material essentially arises from the nanometric and crystalline silicon domains but is affected and protected by the surface species, and we have thus linked most of the proposed mechanisms of luminescence for the porous silicon, e.g., the quantum confinement effect due to the cluster size and the effect of Si-based surface complexes.