L'émission luminescente sous forme de phosphorescence se produit généralement dans la vie quotidienne en raison d'une probabilité de transition mécaniquement petite quantique. Une durée de vie d'émission luminescente peut aller de quelques microsecondes à plusieurs heures. Populairement connu pour son utilisation dans les produits phosphorescents et comme éclairage de signalisation d'urgence dans les bâtiments publics, c'est aussi une méthode pratique de stockage d'informations, y compris la détection et la vérification des timbres. Bien qu'il existe actuellement des méthodes de fabrication simples et économiques pour concevoir des systèmes de phosphorescence utilisant des émetteurs organiques, obtenir une phosphorescence organique visible dans des conditions ambiantes en laboratoire pour la traduction industrielle est un défi.

Dans une étude récente, maintenant publié dans Avancées scientifiques , Max Gmelch et ses collègues de l'Université de technologie de Dresde signalent une nouvelle étape importante dans le marquage luminescent organique. Pour ça, ils ont utilisé une structure de dispositif simple fabriquée à partir de matériaux couramment disponibles pour générer des ultrafins, revêtements luminescents souples et transparents. Le dispositif d'étiquetage résultant était rapide, avec la possibilité d'imprimer plus de 40 cycles d'informations sur n'importe quel substrat de n'importe quelle taille, à haute résolution. Les scientifiques ont utilisé la lumière seule, sans aucune encre, pour imprimer un message luminescent sur le matériau. Le processus sans contact pourrait également effacer l'image du même matériau. Le concept représente une méthode prometteuse pour produire des étiquettes luminescentes à la demande pour stocker des informations et remplacer les techniques d'étiquetage conventionnelles.

Dans l'étude, Gmelch et al. utilisé une couche de matériau émetteur ultramince d'une épaisseur de 900 nm, contenant majoritairement du poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) également appelé verre acrylique. Ils comprenaient une molécule invitée connue sous le nom de NPB (N, N'-di(1-napthyle)N, N'-diphényl-(1, 1'-biphényl)-4, 4'-diamine), un matériau de transport de trous couramment disponible (extraction et transport de charges) utilisé dans la technologie des diodes électroluminescentes organiques (OLED). Les scientifiques ont conçu le mince revêtement translucide pour le marquage luminescent en combinant les deux matériaux (PMMA:NPB). Selon le substrat d'intérêt, le revêtement peut également être utilisé sur une variété de surfaces différentes via un revêtement par centrifugation, revêtement par pulvérisation ou revêtement par immersion.

Les scientifiques ont observé de longue durée, phosphorescence à température ambiante due au couplage modéré de l'orbite de spin et au tassement dense des polymères PMMA en l'absence d'oxygène. De manière analogue, pour empêcher l'exposition de la couche émettrice de phosphorescence à l'oxygène, Gmelch et al. déposé une couche barrière à l'oxygène de 600 nm d'épaisseur au-dessus de l'échantillon. Cependant, puisque les scientifiques ont fabriqué les échantillons dans des conditions ambiantes, la couche émettrice contenait de l'oxygène moléculaire.

Après excitation à la lumière UV (longueur d'onde 365 nm), les molécules de NPB ont atteint leur état singulet excité (S 1 ), à partir de laquelle ils se sont soit désintégrés à l'état fondamental pour émettre de la fluorescence, ou peuplé l'état triple excité T 1 par croisement intersystème (un processus de transition sans rayonnement entre deux états électroniques avec un spin différent). Les niveaux d'énergie expérimentaux observés correspondent bien aux valeurs de la littérature. Une approche prometteuse pour le marquage à base de lumière implique l'élimination locale de l'oxygène moléculaire à l'aide d'une irradiation UV. Cependant, cette technique n'a été signalée qu'en solution jusqu'à présent. Dans le travail present, Gmelch et al. mis en œuvre la technique sur le film solide mince fabriqué.

Dans ce cas, les scientifiques ont excité expérimentalement l'émetteur NPB à l'état triplet (T 1 ) à partir de laquelle ils ont été trempés en interagissant avec l'état fondamental triplet de l'oxygène moléculaire (T 0 ). Intentionnellement, la densité d'oxygène singulet excité résultante a diminué en interagissant avec l'environnement local de l'émetteur, c'est-à-dire via l'oxydation du matériau PMMA aux points d'éclairage, donnant lieu à la phosphorescence. L'émission était immédiatement visible pendant une longue durée de vie de τ =406 ms, après avoir éteint l'éclairage UV. Le procédé décrit par Gmelch et al. ainsi activé la luminescence pour la première fois en éliminant l'oxygène de l'intérieur d'un film mince. Ils ont utilisé la technologie de la consommation d'oxygène dépendante de la lumière UV comme outil d'écriture pour créer une image sur un substrat/matériau.

Les images phosphorescentes ont pu être effacées aussi rapidement et facilement en appliquant une lumière infrarouge (IR) d'une longueur d'onde de 4 µm pendant environ une minute. Dans ce cas, le rayonnement a été absorbé par le PMMA, et la température a augmenté d'environ 90 degrés C à 100 degrés C, qui était suffisamment faible pour maintenir la stabilité thermique de tous les matériaux utilisés dans l'étude. La solidité des couches matérielles a été bien conservée pendant tout le processus d'effacement, tandis que d'autres cycles d'écriture et d'effacement ont été autorisés par la suite.

Gmelch et al. ont observé la diminution de l'intensité de la phosphorescence au cours de chaque cycle en raison du photoblanchiment (dégradation des molécules émettrices) et de la consommation d'oxygène (en raison de l'augmentation des pertes non radiatives dues au changement de matrice). Encore, même après 40 cycles, le taux d'émission a atteint 40 pour cent de sa valeur initiale, suffisamment détectable à l'œil nu ou à la caméra.

Les valeurs d'intensité lumineuse et de temps nécessaire à l'éclairement présentées dans l'étude étaient très inférieures à celles requises par les techniques précédentes, avec un potentiel d'applications industrielles réalisables. L'étude a également montré qu'une barrière à l'oxygène imparfaite pouvait conduire à la réapparition d'oxygène dans les zones activées dans le temps. La durée nécessaire à la disparition de la phosphorescence dépend de l'épaisseur de la couche barrière à l'oxygène.

Par exemple, une couche spin-coated de 600 nm d'épaisseur présentait une phosphorescence jusqu'à cinq heures, tandis que ceux avec des films barrières à l'oxygène plus épais (35 à 40 µm) ont étendu le phénomène à plus d'une journée. Les scientifiques pourraient augmenter les délais de rétention avec un matériau barrière amélioré ou en augmentant encore l'épaisseur du matériau. Pour effacer rapidement une impression, les scientifiques ont utilisé le remplissage d'oxygène par chauffage accéléré de l'échantillon avec IR ou une simple plaque chauffante. Comme pour l'impression, le temps requis pour la suppression de la phosphorescence dépend de l'épaisseur de la couche barrière et de la température.

Les scientifiques ont testé une variété de matériaux de substrat en tant que surfaces pour l'éclairage par phosphorescence. Le travail comprenait des photographies habituelles avec la ligne d'horizon de la ville de New York pour une application sur de grandes surfaces. Étant donné que le revêtement d'émission était entièrement invisible lorsqu'il était inactif, les matériaux ont servi de substrat pour la projection de sous-titres programmable à la demande. Gmelch et al ont en outre démontré la plus grande transparence du revêtement par rapport au verre pur (1 mm).

De cette façon, Gmelch et al. réalisé une méthode optique entièrement accessible pour l'écriture, lecture et effacement sur un matériau pour le stockage d'informations. Le travail a montré la possibilité d'un étiquetage et d'une lecture sans contact reproductibles avec une résolution au-delà de la qualité d'imprimante couramment observée. Gmelch et al. proposer ensuite l'utilisation de procédés hautement évolutifs pour la fabrication de matériaux. La résolution de lecture dans le travail était suffisante pour stocker une profondeur d'information de 7 kB cm ^-2 , ce qui équivaut à cinq pages de texte brut. La technique ouvre une nouvelle voie pour le stockage d'informations au-delà de l'encodage permanent des données à faible coût et à grande échelle. Les nouveaux travaux auront un potentiel pratique dans le domaine de la logistique industrielle (étiquetage, suivi et transport).

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