Hétéro scintillant hautement luminescent

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3504 (2022) Citer cet article

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Les grands émetteurs à déplacement rapide de Stokes présentent une réabsorption négligeable de leur luminescence, une caractéristique hautement souhaitable pour plusieurs applications telles que l'imagerie de fluorescence, la gestion de la lumière solaire et la fabrication de détecteurs scintillants sensibles pour l'imagerie médicale et les expériences de physique des hautes énergies à haut débit. Ici, nous obtenons une luminescence à haute efficacité avec un décalage de Stokes significatif en exploitant des éléments constitutifs d'acène conjugué fluorescent disposés en nanocristaux. Deux ligands de longueur moléculaire et de connectivité égales, mais de propriétés électroniques complémentaires, sont co-assemblés par des amas oxy-hydroxy de zirconium, générant des nanocristaux cristallins à structure métal-organique (MOF) hétéro-ligands. La diffusion d'excitons singulet au sein du MOF et l'adéquation des propriétés d'absorption et d'émission des ligands permettent une activation ultrarapide de l'émission à faible énergie sur une échelle de temps de 100 ps. Les nanocristaux hybrides présentent une efficacité quantique de fluorescence d'environ 60 % et un décalage de Stokes pouvant atteindre 750 meV (~ 6 000 cm-1), ce qui supprime également la réabsorption des émissions dans les dispositifs en vrac. Le scintillateur rapide nanocomposite prototype fabriqué présente des performances de référence qui rivalisent avec celles de certains systèmes commerciaux inorganiques et organiques.

Le décalage de Stokes est une propriété importante des matériaux luminescents, défini comme la différence d'énergie (ΔE) entre le maximum de la bande d'absorption et le maximum du spectre d'émission1. La valeur de ΔE est un paramètre clé dans les dispositifs et applications photoniques car, en première approximation, elle permet d'estimer directement si un émetteur serait affecté par une réabsorption significative de la lumière générée. Par exemple, si la valeur ΔE est inférieure ou similaire à la bande passante des spectres d'absorption et d'émission, l'effet de filtre interne étendu intrinsèque qui en résulte peut limiter considérablement les performances d'éclairage des dispositifs photoniques en masse et, dans le pire des cas, il peut également affectent la cinétique de génération de luminescence2,3,4. À l'inverse, si ΔE est assez grand que les bandes passantes spectrales, en d'autres termes le chevauchement entre les bandes d'absorption et d'émission est minimisé ou complètement négligeable, le système peut être considéré comme un émetteur à grand décalage de Stokes qui fonctionne comme un décaleur de longueur d'onde sans effet de filtre interne ( Fig.1a). Ces matériaux sans réabsorption sont hautement souhaitables pour plusieurs applications. Par exemple, en imagerie de fluorescence, de grandes sondes optiques à décalage de Stokes permettent d'obtenir des images à contraste élevé avec une lumière parasite d'excitation limitée, évitant ainsi l'utilisation de composants de filtrage coûteux ou un post-traitement d'image fastidieux5, 6. Pour les applications solaires, les grands émetteurs à décalage de Stokes sont sans aucun doute les matériaux les plus prometteurs pour réaliser des concentrateurs solaires luminescents sans réabsorption du rayonnement condensé7. De même, la sensibilité des détecteurs scintillants pour les rayonnements ionisants bénéficierait grandement de l'utilisation d'émetteurs rapides sans réabsorption8 montrant une bonne intensité lumineuse sans effets sur la synchronisation des impulsions de scintillation, comme l'exigent les techniques d'imagerie médicale les plus avancées telles que la mesure du temps. tomographie par émission de positons en vol (ToF-PET)9 et expériences de physique des hautes énergies (HEP) à haut débit. L’abondante littérature récente dans le domaine des nanocristaux semi-conducteurs témoigne de cet intérêt bien réel pour les grands émetteurs à déplacement de Stokes. Dans ces matériaux, par exemple, le ΔE peut être ajusté en dopant les semi-conducteurs avec des impuretés électroniques10, ce qui entraîne l’apparition d’états intragap à partir desquels une luminescence décalée vers le rouge est produite. Une valeur ΔE notable pouvant atteindre 1 eV peut être obtenue11, mais un inconvénient non résolu actuel est la lente cinétique de luminescence qui limite leur utilisation pour des applications de synchronisation rapide à l'échelle de la nanoseconde et en dessous12,13,14. De plus, dans les dispositifs photoniques où une synchronisation rapide est prévue, les décaleurs de longueur d'onde traditionnels exploitant le transfert d'énergie radiative ne peuvent pas être utilisés, en raison du ralentissement qui en résulte de l'impulsion lumineuse émise.