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Mémoire de Maîtrise
DOI
10.11606/D.88.2010.tde-14072010-134539
Document
Auteur
Nom complet
Mike Melo do Vale
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2010
Directeur
Jury
Guimaraes, Francisco Eduardo Gontijo (Président)
Souza, Ernesto Chaves Pereira de
Zucolotto, Valtencir
Titre en portugais
Guias de onda poliméricos para sensoriamento óptico e conversão de comprimento de onda
Mots-clés en portugais
Biossensores ópticos
Conversores de comprimento de onda
Guias de onda
Polímeros luminescentes
Resumé en portugais
Um Luminescent Solar Concentrators (LSC) é basicamente uma base plástica transparente ou vidro contendo centros luminescentes.Enquanto o recente avanço dos conversores de comprimento de onda tenha aberto novas possibilidades para o desenvolvimento de células solares mais eficientes, estes também abriram novas frentes de pesquisa.Uma destas frentes envolve os problemas encontrados com o uso de novos materiais. Como por exemplo, transferência de energia em polímeros. Surgem propriedades interessantes a respeito dos processos luminescentes ao longo destes sistemas planares.Por estes motivos esses sistemas podem ser aplicados como dispositivos optoeletrônicos, sensores e também em conversores de comprimento de onda. Este estudo descreve a fabricação de guias de onda planares multipoliméricos baseados em uma matrix acrílica (PMMA) dopada com polímeros emissores de luz. A função desta blenda polimérica é absorver um largo espectro de luz e re-emitir ao longo do guia de onda. Os dispositivos foram estudados em termos de suas características de absorção, emissão e excitação.Os polímeros emissores utilizados neste trabalho foram: MEH-PPV, Super Yellow, ADS-108GE, ADS-329BE, e LAPS-16. Estes materiais foram dissolvidos em tolueno e depositados pela técnica casting sobre substratos de vidro contendo filmes metálicos de alumínio.Usando esta configuração, a luz de excitação incidente é acoplada ao guia de onda por absorção e re-emissão através dos polímeros luminescentes. O estudo dos LSCs é realizado por medidas das emissões laterais e normais dos guias. Estes guias apresentam um espectro de emissão com características típicas de uma cavidade do tipo Fabri-Perot, com linhas extremamente estreitas (3 nm) e altamente polarizadas na direção paralela (modo TE) e perpendicular (TM) ao plano do guia de onda.A emissão destes guias é fortemente dependente de sua geometria e do índice de refração efetivo. Os mesmos filmes poliméricos, porém mais espessos (30 m), foram utilizados como conversores de comprimento de onda visando aplicação em conversores solares luminescentes (Luminescence Solar Converters, ou LSCs). O uso de baixas concentrações das moléculas utilizadas foi necessário para evitar possíveis formações de agregados quando altas concentrações de PMMA são utilizadas na preparação dos filmes. A metalização de uma das faces planares possibilitou o aumento da eficiência de conversão dos comprimentos de onda nos LSCs. A luminescência total dos polímeros é completamente convertida em luz de alto comprimento de onda na emissão lateral.Este processo não depende do comprimento de onda de excitação. A metalização de uma das faces planares possibilitou o aumento da eficiência de conversão dos LSCs. Neste sistema, a luz absorvida é convertida em luz de alto comprimento de onda e alta pureza espectral através de processos de reabsorção, relaxação interna e re-emissão que ocorrem ao longo do plano do LSC. A eficiência de conversão e as perdas em função da concentração polimérica na matriz foram estudadas para os LSCs.O escape dos fótons nas interfaces para ângulos menores que o ângulo crítico (c=arcsen(1/n)) e processos de transferência de energia em LSCs com alta concentração polimérica devem ser otimizados para sua aplicação como dispositivos.
Titre en anglais
Polymeric based waveguides for optical biosensor and wavelength conversion
Mots-clés en anglais
Luminescent polymers
Optical biosensors
Waveguides
Wavelength converters
Resumé en anglais
Luminescent Solar Concentrators (LSC) are basically composed of a transparent plastic or glass substrate containing luminescent centers.While the recent advance in wavelength converters has opened up many new possibilities for development of more efficient photovoltaic cells, they have also raised new issues. A number of these issues involve problems of dealing with new materials and the understanding of physical process like energy transfer in polymers. Interesting features arise from the luminescent process along these planar systems. Therefore this system can be applied as optoelectronics devices, sensors and also in wavelength converters. This study describes the fabrication of planar multi-polymeric optical waveguides based on acrylic matrix (PMMA) doped with a light emitting polymers. The function of thispolymeric blendis to absorb a broad spectrum of light and re-emit it along the waveguide. The devices were studied in terms of its absorption, emission and excitation characteristics.The emitting polymers used in this research are: poly[2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV), Super Yellow, Poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorenylene)-alt-co-{2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene}] called ADS108GE, Poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) called ADS239BE, and poli-(9,9-n-dihexil-2,7-fluorenodilvinilene-alt-1,4-fenilenovinileno) or Laps16. Films of these materials dissolved in toluene were deposited by casting the polymethacrylate solution on top of a glass substrate containing a reflective aluminum layer. Using this configuration, the incident excitation light is coupled to the wave guide by its absorption and then re-emitted by the luminescent polymers. The LSCs characterization was carried out by measuring the lateral and the normal emissions of the guide. These waveguides show a light emission spectrum with characteristics similar to the Fabri-Perot cavity, where very narrow peaks (3 nm) and highly polarized emission in both TE and TM modes were observed. In addition, the emission is strongly dependent on its geometry and the effective refraction index. In other hand, thicker polymeric guides (30 m) were used as luminescence solar converters (LSCs). The optimal concentration of conjugated polymers solutions has to be very low in order to avoid the formation of aggregates since high PMMA concentrations have to be used in the LSC preparation.The total polymeric luminescence is fully converted to light of high wavelength for the case of lateral emission. This process does not depend on the excitation wavelength. The conversion efficiency was increased by evaporating metals on one planar face of the LSC. In this structure, light is absorbed and then converted to a higher wavelength with high spectral pureness through re-absorption, relaxation and re-emission processes occurring along the LSC plane. The conversion efficiency and the losses along the converter were studied as a function of the polymeric concentration, in order to optimize these structures. A better understanding of the process of energy transfer and photon leakage through the interfaces for angles smaller than the critical angle (c=arcsen(1/n)) is necessary for using LSCs as applied devices.
 
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Date de Publication
2010-08-25
 
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