Des chercheurs dirigés par Hong Zhang à l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam ont pu donner un aperçu de la dynamique microscopique du transfert et de la conversion d'énergie dans les luminophores dopés. En utilisant des nanostructures dédiées et une modélisation informatique, ils ont pu déterminer quantitativement le mécanisme d'interaction entre les impuretés hydroxyles et les centres de luminescence à l'intérieur des luminophores dopés aux lanthanides. Leurs découvertes, qui viennent d'être publiés par la revue Nature Lumière :science et applications , contribuera au développement du roman, matériaux de conversion ascendante très efficaces.

Les phosphores sont des substances capables de luminescence, émettant de la lumière lors d'une exposition à un rayonnement électromagnétique. On les retrouve dans des applications aussi diverses que les tubes cathodiques, Éclairage LED, et peintures lumineuses. Particulièrement intéressante est leur utilisation comme matériaux de conversion où ils émettent un photon lors de l'absorption de plusieurs photons d'énergie inférieure. Ce « jacking » de la lumière des basses fréquences vers les hautes fréquences peut être utilisé par exemple pour déplacer la lumière proche infrarouge (NIR) d'un laser milliwatt à onde continue économique vers des fréquences plus élevées, fréquences visibles et même dans la région spectrale ultraviolette (UV). Les applications potentielles de la conversion ascendante sont en spectroscopie super-résolution, stockage de données haute densité, anti-contrefaçon, et l'imagerie biologique et la thérapie photo-induite.

Les propriétés optiques des luminophores à conversion ascendante dépendent fortement de l'apparition de défauts et d'impuretés, qui ont souvent de graves effets néfastes sur le transfert et la conversion d'énergie. Démêler les mécanismes d'interaction sous-jacents, cependant, est tout un défi car il est presque impossible de quantifier adéquatement l'apparition de défauts et d'impuretés. Dans leur article en Lumière :science et applications , Hong Zhang et ses collègues montrent maintenant que ce dilemme peut être efficacement démêlé en appliquant des nanostructures.

La pertinence des impuretés hydroxyles

Les chercheurs ont étudié des particules de taille nanométrique constituées de fluorures de sodium et d'yttrium dopés avec des ions lanthanides. Ce sont l'un des matériaux de conversion ascendante de luminescence les plus efficaces, mais leur performance souffre de l'apparition d'hydroxyle (OH ^- ) impuretés. Ceux-ci sont facilement introduits lors de la synthèse des matériaux et peuvent réduire les performances de conversion ascendante non linéaire jusqu'à trois ordres de grandeur. Les impuretés hydroxyles se produisent à la fois sur la surface et à l'intérieur de la nanoparticule.

Le rôle des OH pertinents pour la surface ^- sur les propriétés de luminescence est désormais bien documentée via des approches telles que le revêtement de coque. Démêler le mécanisme d'interaction de l'OH interne ^- impuretés, cependant, n'a pratiquement pas été rapporté principalement parce que la quantification de leur contenu est très lourde. Hong Zhang et ses collègues ont maintenant réussi à séparer les effets de la surface OH pertinente ^- et le OH ^- à l'intérieur de la nanoparticule sur la dynamique de conversion ascendante des photons.

En utilisant la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), ils ont déterminé la teneur en OH- interne avec une erreur relative de moins de 15 %. Sur cette base, combiné à une modélisation théorique, ils ont pu établir un pont entre les interactions microscopiques ion-ion et ion-impureté et les phénomènes de luminescence par conversion ascendante macroscopique. Ce qui a conduit, entre autres, à une explication mécaniste du phénomène observé dans des études connexes selon lequel l'intensité de luminescence de conversion ascendante présente une loi de décroissance exponentielle avec l'augmentation de OH ^- contenu (voir figure ci-dessus).

Synthèse efficace de matériaux de conversion ascendante

Puisqu'il était connu que la synthèse dans un environnement strictement sec peut augmenter considérablement l'efficacité de luminescence de conversion ascendante, Zhang et ses collègues ont entrepris d'ajuster l'OH interne ^- teneurs en impuretés des nanoparticules grâce au séchage sélectif de différentes étapes de synthèse. Ils ont ainsi pu régler l'intensité de la luminescence dans une plage où l'intensité maximale était 30 fois supérieure à l'efficacité minimale. Plus important, en introduisant une méthode de test FTIR, ils ont constaté que l'intensité du pic d'absorption à ~ 3400 cm ^-1 mesuré dans un environnement d'eau lourde peut être utilisé de manière fiable pour caractériser quantitativement le OH ^- impureté contenue dans la nanoparticule.

Ainsi, avec la capacité d'ajustement quantitatif de l'OH interne et du NaYF 4 nanostructures cœur/coquille, les chercheurs ont exploré la dynamique microscopique de la conversion ascendante des photons sous l'action de l'OH interne ^- impuretés d'un point de vue expérimental et théorique. La prédiction à partir des simulations du modèle que la durée de vie de luminescence du sensibilisateur Yb ³⁺ et l'intensité d'émission de conversion ascendante diminue de façon exponentielle avec la teneur en OH ^- est bien confirmé expérimentalement, et les paramètres d'interaction pertinents sont déterminés.