Spectro-fluorimètre

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(mise à jour 19 janvier 2021)

Responsable

Florian MASSUYEAU

Principe de la méthode

Certains matériaux ont la propriété d’émettre des photons (luminescence) suite à une excitation qui peut avoir plusieurs origines (e.g. mécanique, lumineuse, chimique). Quand l’excitation est d’origine lumineuse, il y a absorption de photons par le matériau et on parle de photoluminescence.

La photoluminescence est une technique de spectroscopie optique très sensible qui permet de sonder de façon non destructive les niveaux électroniques d’un matériau. On peut par exemple obtenir des informations sur les dopants introduits dans une matrice, les défauts créés lors d’une synthèse, les excitons présents dans un semi-conducteur ou la présence de certains atomes dans des échantillons naturels.

Deux phénomènes interviennent dans la luminescence : la fluorescence et la phosphorescence. Ces deux phénomènes se distinguent par leur durée d’émission après cessation de l’excitation. La fluorescence est caractérisée par une brève durée de vie, contrairement à la phosphorescence (typiquement au-delà de la microseconde).

Cette technique permet plusieurs types de mesure dont :

• des spectres d'émission : acquisition de l’émission sur une plage spectrale donnée avec une longueur d’onde d’excitation fixe ;
• des spectres d'excitation : acquisition de l’émission à une longueur d’onde fixe sur une plage spectrale d’excitation ;
• des déclins : mesure de la décroissance de l’émission pour une longueur d’onde d’excitation et d’émission fixes en fonction du temps ;
• des cartographies : acquisition de spectres d’émissions sur une plage spectrale donnée pour une plage spectrale d’excitation.

Matrice excitation-émission de nanotubes de carbone monofeuillet en solution.

Equipements

L’appareil de photoluminescence stationnaire est un Horiba Jobin-Yvon Fluorolog3 équipé d’un double monochromateur en excitation et de deux voies d’émission. La voie de droite possède un double monochromateur d’émission avec un détecteur R13456 (Hamamatsu). La voie de gauche est munie d’un spectrographe IHR320 avec deux CCD pour les domaines de l’UV-Vis et du NIR. Chaque voie d’excitation et d’émission est munie d'un polariseur.

Le boitier source est équipé d’une lampe xénon 450W pour les mesures stationnaires et d’une lampe flash pulsée xénon pour les mesures de phosphorescence (gamme typique de l’ordre de la milliseconde).

Horiba Jobin-Yvon Fluorolog-3, photo à gauche, schéma à droite.

Accessoires :

• Porte-échantillons de tous types : film, poudre, liquide, pierre ;
• Cryostat à azote Oxford OptistatDN-V (plage de température 77K-500K) ;
• Module Quanta-φ pour des mesures du rendement quantique de photoluminescence ;
• Laser UV (360 nm) modulable en intensité pour des mesures d’intensité d’excitation ;
• Banc de mesures optiques pour des échantillons jusqu’à quelques dizaines de cm ou l’analyse de multiples échantillons en série.

Banc de mesures optiques couplé au fluorolog (à gauche : photos, à droite : schéma de principe).

Exemples :

A gauche : Spectres d’excitation et d’émission du (TDMP)PbBr₄.
A droite : Evolution de l’intensité d’émission en fonction de la température 
(Advanced Materials, 2019, 31,1807383).

Evolution du spectre d’émission (a) et du rendement quantique (b)
en fonction du temps de réduction de Ce³⁺ dans la matrice CaSc₂O₄
(Applied Materials Today, 2020, 20, 100643).

Déclins de photoluminescence de Gd³⁺ (a) et Tb³⁺ (b) dans LaScO₃ pour différentes excitations et émissions 
(Inorganic Chemistry, 2018, 57, 8718-8721).

Image 3D présentant l’évolution du spectre d’excitation du (TDMP)PbI4 en fonction de la température
(Journal of the American Chemical Society, 2019, 141, 12619-12623).