Une équipe de chercheurs dirigée par les professeurs Hong Zhang (nanochimie photonique) et Evert Jan Meijer (chimie computationnelle) de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam a considérablement amélioré la compréhension fondamentale de la conversion ascendante des photons dans les nanoparticules. Grâce à l'approche collaborative de la spectroscopie avancée et de la modélisation théorique, ils ont pu établir que la migration de l'énergie d'excitation affecte grandement la dynamique de conversion ascendante. Dans une publication récente en Angewandte Chemie , les chercheurs décrivent comment les nanostructures « d'ions dopants séparés dans l'espace » (DISS) peuvent être utilisées pour adapter la dynamique de conversion ascendante.

La conversion ascendante est un processus dans lequel un photon est émis lors de l'absorption de plusieurs photons d'énergie inférieure. Il « jack » ainsi la lumière des fréquences les plus basses vers les plus hautes. Typiquement, les matériaux de conversion ascendante sont dopés avec des ions lanthanides. Ceux-ci sont capables de déplacer la lumière infrarouge proche (NIR) d'un laser milliwatt à onde continue économique vers plus haut, fréquences visibles et même dans la région spectrale ultraviolette (UV). Applications potentielles en spectroscopie super résolution, stockage de données haute densité, anti-contrefaçon et imagerie biologique et thérapie photo-induite.

On a longtemps pensé que la dynamique de la luminescence par conversion ascendante était déterminée uniquement par les ions émetteurs et leurs interactions avec les ions sensibilisateurs voisins. Les recherches actuelles montrent que cela ne vaut pas pour les nanostructures. Zhang, Meijer et ses collaborateurs démontrent que dans les nanocristaux, le comportement temporel de la luminescence est sérieusement affecté par le processus de migration de l'énergie d'excitation.

Les chercheurs ont découvert le lien intime entre la nature aléatoire de la migration d'énergie et le comportement temporel de la luminescence de conversion ascendante au moyen d'une approche complémentaire de spectroscopie avancée et de simulation Monte Carlo résolue en temps. En tant que systèmes modèles, ils ont utilisé des nanostructures dites « d'ions dopants séparés dans l'espace » (DISS), où les activateurs et les sensibilisateurs sont situés dans différentes régions spatiales d'une seule nanoparticule. L'influence de la migration d'énergie pourrait être représentée quantitativement en ajustant l'épaisseur de la couche de migration ou en faisant varier la concentration de dopants d'ions migrateurs dans la couche de migration.

Il a ainsi été établi que, en raison de son caractère aléatoire, la migration de l'énergie d'excitation entre deux points quelconques du cristal prend plus de temps que ce qui serait attendu d'un transfert d'énergie direct de point à point.

Sur la base de cette nouvelle idée fondamentale, les chercheurs ont réussi à contrôler le comportement temporel de la luminescence de conversion ascendante (processus de montée ou de décroissance) en ajustant les chemins de migration d'énergie dans diverses nanostructures DISS spécialement conçues. Ce résultat est significatif pour l'application de ce type de matériaux en spectroscopie super résolution, stockage de données haute densité, anti-contrefaçon et imagerie biologique.