Míguez García, Hernán RuyLozano Barbero, Gabriel SebastiánCabello Olmo, Elena2025-01-142025-01-142024-10-30Cabello Olmo, E. (2024). Nanophosphor-based Photonics. (Tesis Doctoral Inédita). Universidad de Sevilla, Sevilla.https://hdl.handle.net/11441/166553Phosphors are the materials that currently drive solid-state lighting (SSL). These photoluminescent materials act as color converters, converting light generated by blue or ultraviolet LEDs to lower energy light within the visible spectrum. This group of materials, consisting of inorganic matrices doped with rare earth cations, has a wide range of applications beyond SSL due to their physicochemical properties in terms of conversion efficiency, chemical stability, and thermal stability. Examples of fields where controlled emission of these phosphors is key include horticulture, sens-ing, bioimaging, theranostics, anti-counterfeiting, and any application that requires precise control over the chromatic content of the emission and the manner in which it is extracted from the system to maximize its potential. This increase in applica-tions comes with higher demands on the materials, requiring them to meet stricter performance criteria. Some of these requirements relate to the miniaturization of optical components, where traditional materials are constrained by their micrometer scale. Furthermore, the tools and techniques used to achieve precise control over the properties of these materials are becoming increasingly sophisticated. This thesis focuses on a nanometric version of phosphors (<50nm) that are syn-thesized as colloidally stable nanoparticles and can be processed by wet methods. The work addresses the fabrication of photonic structures with these nanoparticles to modify their emission properties. From a processing point of view, three novel techniques are covered. First, thermal treatment using ultrafast annealing methods is studied, which significantly reduces the time required to fabricate films with very high conversion efficiency (>80%) and high transparency, allowing their subsequent combination with a photonic system based on periodic arrays of metallic nanopar-ticles. Second, for the first time, soft lithography is applied directly to phosphor nanoparticles to obtain monolithic structures with periodic surface patterns. Finally, inks are formulated to create arbitrary patterns with phosphors using inkjet printing, which is also compatible with soft lithography. By modifying the optical environment of the emitting nanoparticles at the nanoscale, a high degree of control over the emitted light in terms of color, direction, and intensity is achieved. It is worth noting that the thesis advances the scalability of the processes thanks to the developed methodology, which has allowed the reduction of material us-age through techniques such as inkjet printing and significant time savings through thermal processing methods, while maintaining important optical properties such as transparency and efficiency. Finally, although the results are focused on specific types of nanophosphors that exhibit down-shifting, some of the results can be applied to other inorganic nanoparticles, such as those with up-conversion. The thesis also includes a study of the properties of oxyfluoride upconversion nanoparticle films and how to optimize their emitting properties through the interconnection between thermal processing, structural properties, and their photophysical properties, with potential for integration with photonic systems. In summary, we succeeded to demonstrate the development and integration of nanophosphors into photonic structures, enabling precise control over light emis-sion properties, which has significant implications for their use in novel technologies.Los fósforos son materiales de gran importancia para el desarrollo de la iluminación de estado sólido. Estos materiales fotoluminiscentes actúan como conversores de color, siendo capaces de convertir la luz generada por LEDs azules o UV en luz de menor energía dentro del espectro visible. Este grupo de materiales, compuesto por matrices inorgánicas dopadas con cationes de tierras raras, tiene interés para una amplia gama de aplicaciones debido a sus propiedades fisicoquímicas en términos de eficiencia de conversión, estabilidad química y térmica. Algunos ejemplos de campos donde el control sobre la emisión de estos fósforos resulta interesante incluyen la horticultura, la detección, la bioimagen, la teranóstica, la lucha contra la falsificación y cualquier aplicación que requiera un control preciso sobre el contenido cromático de la emisión y la forma en que se extrae la luz del sistema para maximizar su potencial. El aumento en las aplicaciones conlleva mayores exigencias a los materiales, requiriendo que cumplan con ciertos criterios. Algunos de estos requisitos están relacionados con la miniaturización de los componentes ópticos, donde los materiales tradicionales se ven limitados por su escala micrométrica. Además, las herramientas y técnicas que se utilizan para lograr un control preciso sobre las propiedades de estos materiales son cada vez más sofisticadas, incluyendo aproximaciones nanotecnólogas. Esta tesis explora una versión nanométrica de los fósforos, nanofósfors menores de 50 nm, coloidalmente estables y que pueden ser procesadas mediante métodos vía líquida. La tesis se centra en la fabricación de estructuras fotónicas con estas nanopartículas para modificar sus propiedades de emisión. Desde el punto de vista del procesado, se abarcan tres técnicas novedosas. Primero, se estudia el tratamiento térmico utilizando métodos de calentamiento ultrarrápido, reduciendo significativamente el tiempo necesario para producir películas con una eficiencia de conversión muy alta (>80%) y alta transparencia, permitiendo su posterior combinación con un sistema fotónico basado en arreglos periódicos de nanopartículas metálicas. Segundo, se aplica por primera vez la litografía blanda directamente sobre las partículas, logrando estructuras monolíticas con patrones superficiales periódicos. Por último, se fabrican tintas que permiten crear motivos arbitrarios con fósforos mediante impresión por inyección y que son compatibles con la litografía blanda. Gracias a la modificación del entorno óptico de las nanopartículas emisoras a escala nanométrica, se consigue un alto control sobre la luz emitida en términos de color, dirección e intensidad. En definitiva, se obtienen muestras emisoras direccionales. Cabe destacar que durante la tesis se avanza en la escalabilidad de los procesos gracias al desarrollo de la metodología planteada, lo que ha permitido reducir la cantidad de material mediante el uso de técnicas como la impresión por inyección y ahorrar tiempo mediante tratamientos térmicos ultrarrápidos que mantienen propiedades ópticas relevantes como la transparencia y la eficiencia. Finalmente, aunque los resultados se centran en un tipo específico de nanofósforos que presentan down-shifting, algunos de los resultados pueden aplicarse a otros tipos de nanopartículas inorgánicas, como aquellas que presentan procesos de upconversion o son persistentes. En la tesis también se hace un estudio de las propiedades de láminas de nanoparticulas de upconversion y de cómo optimizar sus propiedades emisoras a través de las interconexión entre el procesado térmico, las propiedades estructurales y las propiedades fotofísicas de las mismas con una potencial integración posterior en sistemas fotónicos. En resumen, he conseguido demostrar que gracias a la integración de nanofósforos en estructuras fotónicas, podemos tener un control preciso de las propiedades emisoras de luz, con importantes implicaciones para su uso en tecnologías novedosas.application/pdf124 p.engAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccess