Origine de luminescence intense

Publié par Redbran le 04/12/2021 à 13:00
Source: Synchrotron SOLEIL
Les matériaux luminescents, qui continuent à émettre de la lumière après avoir été éclairés, trouvent des applications dans notre vie quotidienne, par exemple dans les dispositifs d'éclairage. Pour ce type d'application, les cristaux bidimensionnels (2D) organométalliques sont très prometteurs. Leur luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui...) peut être fortement augmentée par le phénomène d'émission induite par l'agrégation (EIA). Comprendre et contrôler l'EIA pourrait permettre d'obtenir à faible coût des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) 2D photoluminescents à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante. La diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) des rayons X en incidence rasante (GIXD) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), sur la ligne SIRIUS (Sirius est l'étoile principale de la constellation du Grand Chien. Vue de la Terre, Sirius est...), permet de déterminer la structure de ces cristaux.


Structure moléculaire du complexe Cyclo-Ir (à gauche), schéma de ce complexe montrant l'orientation du Cyclo-Ir à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) air-eau avec l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) d'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite...) (θ) (au centre) et schéma du montage expérimental pour les mesures GIXD in situ utilisant une cuve de Langmuir. Les directions du faisceau de rayons X sont indiquées.

Les cristaux moléculaires bidimensionnels (2D) sont une classe importante de matériaux pour leurs applications en électronique et photonique. Leur épaisseur extrêmement réduite – idéalement une seule couche de molécules – explique cette appellation "2D" et leur confère des propriétés optoélectroniques uniques, différentes de celles des cristaux organiques massifs, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en économisant la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), en permettant des coûts de production inférieurs et une éventuelle flexibilité mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...).

Une forte luminescence a récemment été mise en évidence dans des cristaux moléculaires massifs, présentant des propriétés dites d'émission induite par l'agrégation (EIA). L'assemblage des molécules provoque la restriction des rotations et des vibrations intramoléculaires qui peuvent nuire à la luminescence. Mais les mécanismes qui induisent l'EIA dans les matériaux massifs ne se manifestent dans les cristaux 2D qu'à des températures très basses (77K, température de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) liquide) conduisant à une faible luminescence à température ambiante. Comprendre et contrôler le processus d'auto-assemblage des molécules constituant les cristaux 2D pourrait permettre d'obtenir à faible coût des matériaux luminescents à température ambiante.

Une équipe constituée de scientifiques de laboratoires de l'Indian Association for the Cultivation of Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) (Kolkata) et du Saha Institute of Nuclear Physics (Kolkata) a mis au point (Graphie) une technique pour contrôler la fabrication de cristaux bidimensionnels présentant une EIA et constitués de complexes d'iridium (L'iridium est un élément chimique de symbole Ir et de numéro atomique 77.) Ir(III) cyclométallique, [Ir(ppy)(PPh3)2(H)(Cl)] (Cyclo-Ir). La fabrication a lieu à la surface de l'eau par la technique dite des couches de Langmuir, qui permet un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de surface ; les cristaux 2D obtenus sont stables, d'épaisseur moléculaire, d'une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) de l'ordre du µm, et montrent une luminescence supérieure aux cristaux obtenus en solution.

Cette équipe est venue sur la ligne SIRIUS étudier ce système directement à la surface de l'eau afin de comprendre l'origine de la luminescence.

Les mesures de diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXD ; cf. figures) effectuées sur SIRIUS ont révélé la formation par auto-assemblage à la surface de l'eau d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) 2D de cellules rectangulaires centrées de Cyclo-Ir, une structure différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) de celle des cristaux dans le composé massif (Le mot massif peut être employé comme :). La détermination de cette structure, en complément de mesures de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) atomique, de photoluminescence et de spectroscopie infrarouge (La spectroscopie infrarouge (parfois désignée comme spectroscopie IR) est une classe de...), et associée aux calculs de théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....) de la densité (DFT), a permis de comprendre pourquoi de tels cristaux 2D se forment à la surface de l'eau, mais aussi l'origine et l'amélioration de leur luminescence à température ambiante: dans cette structure le phénomène d'EIA est favorisé par la forte réduction des rotations intramoléculaires du complexe d'Iridium et par l'absence d'interactions π- π, connues pour éteindre la luminescence. Il faut aussi souligner que la luminescence obtenue avec ces cristaux 2D à température ambiante est comparable à celle obtenue dans des solutions gelées à l'azote liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...).

L'étude par GIXD sur la ligne SIRIUS permet de comprendre et d'améliorer le contrôle de la conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent....) du Cyclo-Ir à la surface de l'eau paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible...) pour la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) de la luminescence des composés, non massifs, présentant une EIA.


Gauche: Diffractogramme mesuré sur les cristaux 2D de Cyclo-Ir in-situ à la surface de l'eau montrant les 3 premiers pics de Bragg (11), (20), and (02).
Droite: Enceinte sous Hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) entourant la cuve de Langmuir (blanche) adaptée aux rayons X contenant la couche à la surface de l'eau en cours d'étude.

Publication:
Biswas, S., Manna, G., Das, B., Bhattacharya, A., Pal, A.K., Datta, A., Alam, P., Laskar, I.R., Mondal, P., Mukhopadhyay, M.K., Sanyal, M.K., Acharya, S. "Origin of Intense Luminescence from Supramolecular 2D Molecular Crystals". Small., on line first (08/10/2021): (2021).

Contact:
- Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) - L'Orme (Les ormes sont des arbres du genre Ulmus, famille des Ulmaceae ou Ulmacées atteignant une...) des Merisiers Saint-Aubin, BP 48 91192 Gif-sur-Yvette Cedex
- Milan K Sanyal
- Filippe Fontaine
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