Dans une publication récente dans la revue Matériaux avancés, une équipe de physiciens et de chimistes de TU Dresden présente un capteur organique à couche mince qui décrit une toute nouvelle façon d’identifier la longueur d’onde de la lumière et atteint une résolution spectrale inférieure à un nanomètre. En tant que composants intégrés, les capteurs à couche mince pourraient éliminer le besoin de spectromètres externes à l’avenir. Une demande de brevet a déjà été déposée pour la nouvelle technologie.
La spectroscopie comprend un groupe de méthodes expérimentales qui décomposent le rayonnement selon une propriété spécifique, telle que la longueur d’onde ou la masse. Elle est considérée comme l’une des méthodes d’analyse les plus importantes dans la recherche et l’industrie. Les spectromètres peuvent déterminer les couleurs (longueurs d’onde) des sources lumineuses et sont utilisés comme capteurs dans diverses applications, telles que la médecine, l’ingénierie, l’industrie alimentaire et bien d’autres. Les instruments disponibles dans le commerce sont généralement relativement gros et très coûteux. Ils sont principalement basés sur le principe du prisme ou du réseau : la lumière est réfractée et la longueur d’onde est attribuée en fonction de l’angle de réfraction.
À l’Institut de physique appliquée (IAP) et au Centre intégré de Dresde pour la physique appliquée et les matériaux photoniques (IAPP) de la TU Dresden, de tels composants de capteurs basés sur des semi-conducteurs organiques font l’objet de recherches depuis des années. Avec les spin-offs Senorics et PRUUVE, deux technologies ont déjà été développées vers la maturité du marché. Maintenant, des chercheurs de l’IAP et de l’IAPP, en coopération avec l’Institut de chimie physique, ont développé un capteur à couche mince qui décrit une toute nouvelle façon d’identifier la longueur d’onde de la lumière et, en raison de sa petite taille et de son coût, présente des avantages évidents sur les spectromètres disponibles dans le commerce.
Le principe de fonctionnement des nouveaux capteurs est le suivant : la lumière de longueur d’onde inconnue excite les matériaux luminescents dans un film très fin. Le film se compose d’un mélange d’entités à longue lueur (phosphorescentes) et à courte lueur (fluorescentes), qui absorbent la lumière étudiée de différentes manières. L’intensité de la rémanence peut être utilisée pour déduire la longueur d’onde de la lumière d’entrée inconnue.
« Nous exploitons la physique fondamentale des états excités dans les matériaux luminescents », explique Anton Kirch, doctorant à l’IAP. « La lumière de différentes longueurs d’onde excite dans un tel système, lorsqu’elle est correctement composée, certaines proportions d’états de spin triplet à longue durée de vie et de spin singulet à courte durée de vie. Et nous inversons cette dépendance. En identifiant les fractions de spin à l’aide d’un photodétecteur, nous pouvons identifier les longueurs d’onde lumineuses . »
« La grande force de notre alliance de recherche ici à Dresde, ce sont nos partenaires », déclare le professeur Sebastian Reineke, qui a coordonné le projet. « Avec les groupes du professeur Alexander Eychmüller de chimie physique et de Karl Leo, professeur d’optoélectronique, nous pouvons réaliser nous-mêmes toutes les étapes de fabrication et d’analyse, en commençant par la synthèse des matériaux et le traitement du film et en terminant par la fabrication du détecteur organique. «
Le Dr Johannes Benduhn est chef de groupe pour les capteurs organiques et les cellules solaires à l’IAP : « J’ai été honnêtement très impressionné qu’un simple film photoactif combiné à un photodétecteur puisse former un appareil à si haute résolution. »
En utilisant cette stratégie, les scientifiques ont atteint une résolution spectrale inférieure au nanomètre et ont réussi à suivre les changements mineurs de longueur d’onde des sources lumineuses. En plus de caractériser les sources lumineuses, les nouveaux capteurs peuvent également être utilisés dans la protection contre la contrefaçon. « Les capteurs petits et peu coûteux pourraient être utilisés, par exemple, pour vérifier rapidement et de manière fiable les billets de banque ou les documents pour certaines caractéristiques de sécurité et ainsi déterminer leur authenticité, sans avoir besoin d’une technologie de laboratoire coûteuse », explique Anton Kirch.
Anton Kirch et al, suivi précis de la longueur d’onde par mélange de spin Exciton, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/adma.202205015