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Spectroscopie par photoluminescence et fluorescence expliquées

Les spectromètres Renishaw peuvent effectuer une spectroscopie par photoluminescence (PL) pour révéler la structure électronique d’un matériau. Inversement, vous pouvez facilement éviter les arrière-plans fluorescents indésirables lors d’une analyse Raman.


La photoluminescence (PL) est stimulée par l’absorption de photons par un matériau. Le matériau émet alors de la lumière lorsqu’il revient d’un état électronique excité à son état fondamental. La PL comprend à la fois les processus de fluorescence et de phosphorescence. La quantité et le type de PL dépendent du matériau que vous étudiez et de la longueur d’onde du laser que vous utilisez.

Lorsqu’un échantillon est éclairé par un laser, une diffusion Raman et une photoluminescence (PL) peuvent se produire. Les arrière-plans fluorescents indésirables peuvent empêcher une analyse Raman réussie en obscurcissant la lumière Raman diffusée, plus faible. Il est souvent possible d’éviter des arrière-plans fluorescents élevés en choisissant une longueur d’onde laser appropriée.

Que peut nous apprendre la spectroscopie par photoluminescence (PL) ?

Dans de nombreux cas, le spectre de photoluminescence (PL) peut s’avérer utile. Vous pouvez notamment l’utiliser pour étudier les propriétés électroniques de matériaux. Il est important pour l’analyse des semi-conducteurs, car il permet de révéler la structure en bande du matériau et les éventuels défauts. Il permet également d’analyser les défauts cristallins des pierres précieuses, comme les lacunes et les substitutions atomiques.

La spectroscopie PL est non destructive et peut compléter les données Raman. Les systèmes Raman de Renishaw conviennent à l’analyse de la diffusion Raman et de la PL.

Vous pouvez utiliser la PL pour étudier les défauts cristallins, tels que les lacunes et les substitutions atomiques. Ceci est important pour les pierres précieuses telles que le diamant et les matériaux semi-conducteurs tels que le carbure de silicium (SiC). Vous pouvez non seulement identifier le type de défaut, mais aussi déterminer si le cristal présente des contraintes internes.

Comment mesurer un spectre de photoluminescence ?

Pour obtenir un spectre PL, on concentre la lumière sur un échantillon et on mesure la luminescence qui en résulte. Un spectre PL est un tracé de l’intensité lumineuse émise en fonction de la longueur d’onde. Grâce à la spectroscopie PL, on peut étudier les propriétés électroniques et la présence de défauts dans les matériaux semi-conducteurs. Ces études requièrent souvent une plage spectrale de centaines de nanomètres (ou de milliers de nombres d’ondes, cm-1). La technologie SynchroScan™ peut également aider à résoudre les caractéristiques à la fois larges et nettes dans un spectre PL.

Les spectromètres Renishaw utilisent une source de lumière laser pour la spectroscopie PL. Comme les lasers sont monochromatiques, ils fournissent une illumination intense sur une plage de longueurs d’onde très étroite. Par conséquent, l’excitation laser peut révéler des pics PL qui pourraient ne pas être visibles avec d’autres sources d’excitation telles que les lampes UV ou les spectrofluoromètres accordables. La quantité et le type de PL dépendent du matériau que vous étudiez et de la longueur d’onde du laser que vous utilisez. Pour stimuler la PL, la lumière incidente doit avoir une énergie supérieure à la bande interdite électronique du matériau. Une énergie plus faible correspond à une longueur d’onde plus grande. Par conséquent, on observe une émission de PL à des longueurs d’onde supérieures à celles de la lumière incidente.

Spectre à large bande de SiC

Spectre à large bande de SiC, montrant des caractéristiques PL. La gamme spectrale s’étend de 400 nm à plus de 1000 nm, dans le visible et au-delà. Données fournies par le professeur John Steeds et le docteur Geraint Evans, département de physique, université de Bristol, Royaume-Uni.

Fluorescence et phosphorescence

La photoluminescence comprend les processus de fluorescence et de phosphorescence. En général, la fluorescence fait référence à une PL quasi-instantanée qui dure moins de 10 nanosecondes. D’autre part, la phosphorescence fait référence à une PL qui dure plus de 10 nanosecondes après l’élimination de la lumière incidente. Le diagramme de Jablonski ci-dessous nous aide à comprendre la mécanique quantique qui sous-tend la fluorescence et la phosphorescence.

Considérons une molécule dans son état fondamental singulet (S0). Dans le cas de la fluorescence, la molécule absorbe un photon qui la fait passer à un état singulet excité (S1). L’émission de lumière fluorescente se produit lorsque la molécule se relaxe de l’état S1 à l’état S0. Les états S1 et S0 ont tous deux la même multiplicité de spin, si bien que la transition de S1 à S0 est autorisée. C’est pourquoi la fluorescence se produit en moins de 10 nanosecondes.

Pour que la phosphorescence se produise, la molécule contient généralement des atomes ayant une masse plus élevée et un degré élevé de couplage spin-orbite. Cela augmente la probabilité de croisement intersystème (ISC) entre les états électroniques singulet S1 et triplet T1. En raison de la conservation du moment angulaire, la relaxation de T1 vers l’état fondamental S0 est interdite, car ces états électroniques ont une multiplicité de spin différente. Une fois de plus, le couplage spin-orbite assouplit cette règle, si bien que la phosphorescence peut se produire en tant que transition radiative de l’état T1 à l’état S0. Ceci explique pourquoi la phosphorescence se produit à une échelle de temps beaucoup plus lente que la fluorescence (de quelques microsecondes à plusieurs milliers de secondes).

En résumé, la fluorescence se produit lorsqu’une molécule émet de la lumière à partir de son premier état excité singulet S1, après l’absorption d’un photon. La phosphorescence se produit lorsqu’une molécule émet de la lumière à partir de son état triplet T1 après le croisement intersystème depuis S1.

Diagramme énergétique montrant l’absorption de la lumière et les processus impliqués dans l’émission de lumière sous forme de fluorescence et de phosp Diagramme énergétique montrant l’absorption de la lumière et les processus impliqués dans l’émission de lumière sous forme de fluorescence et de phosphorescence.

La spectroscopie Raman

Vous êtes un nouveau venu dans la spectroscopie Raman ? Découvrez rapidement les principes fondamentaux de l’analyse Raman.

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Imagerie par fluorescence et FLIM

Les biologistes ont souvent recours à l’imagerie par fluorescence. Il s’agit de traiter les tissus biologiques et les cellules avec des étiquettes fluorescentes afin de détecter la présence et la distribution d’espèces moléculaires. Le microscope confocal inVia™ et l’analyseur biologique RA816 de Renishaw sont idéaux pour générer des images d’étiquettes fluorescentes en guise de marqueurs biologiques. Toutefois, cette approche est plus invasive que l’analyse Raman, qui s’effectue généralement sans étiquette.

En revanche, la microscopie d’imagerie en temps de vie de fluorescence (FLIM) est une technique sans étiquette qui permet d’étudier l’environnement moléculaire des cellules et des tissus biologiques. Elle complète la spectroscopie Raman qui révèle la biochimie sous-jacente. Le microscope inVia peut désormais être équipé d’une capacité FLIM intégrée pour l’imagerie multimodale sans étiquette.

Image de contrainte générée à partir de la position de la bande PL du rubis R2


Image de contrainte générée à partir de la position de la bande PL du rubis R2.

Comparaison entre spectroscopie Raman et spectroscopie PL

Les spectromètres collectent simultanément les émissions Raman et de photoluminescence. Comment faire la différence entre les deux ?

Un matériau émet des bandes PL à des longueurs d’onde constantes, qui dépendent de sa structure électronique. Les bandes d’absorption et de luminescence du matériau ne varient pas, même en ayant recours à une longueur d’onde d’excitation différente. Par convention, les gemmologues indiquent les pics PL en nanomètres (nm). Les physiciens qui travaillent sur les semi-conducteurs préfèrent indiquer les pics PL en électronvolts (eV).

En revanche, les bandes Raman ont une différence d’énergie constante par rapport à la longueur d’onde d’excitation. La spectroscopie Raman mesure la variation d’énergie lorsque la lumière interagit avec les niveaux d’énergie vibratoire des molécules. Dans les spectres Raman, les valeurs indiquées sur l’axe x sont relatives à la source d’excitation. C’est pourquoi l’axe x est appelé décalage Raman, avec des unités de nombre d’ondes en cm-1.

Comment éviter les arrière-plans fluorescents dans les spectres Raman ?

Lorsque l’on éclaire un échantillon à l’aide d’un laser, une diffusion Raman et une photoluminescence (PL) peuvent se produire. Les émissions fluorescentes peuvent être beaucoup plus intenses que la diffusion Raman et peuvent empêcher une analyse Raman réussie. Vous pouvez éviter ce problème en utilisant une longueur d’onde laser différente. Cela peut éloigner les bandes Raman de l’émission PL la plus intense et peut même éviter complètement la génération de PL.

Un bon instrument Raman doit pouvoir passer facilement d’une longueur d’onde laser à une autre. Vous pouvez alors sélectionner ou éviter les caractéristiques PL, en fonction de vos besoins.

 
Spectres d’un polymère conducteur

Spectres d’un polymère conducteur. On peut clairement observer des bandes Raman en utilisant une excitation laser proche de l’infrarouge à 785 nm. Lorsque l’on éclaire l’échantillon avec un laser visible à 514 nm ou 633 nm, les spectres sont dominés par de forts arrière-plans fluorescents. Les axes verticaux ont été mis à l’échelle pour des questions de clarté.

Qu’est-ce que la spectroscopie Raman ?

Poursuivez votre exploration des spectroscopies Raman et par photoluminescence (PL). Nous répondons à vos questions sur la microscopie Raman, l’imagerie Raman rapide, l’analyse des données, la fluorescence et les techniques analytiques complémentaires.

Spectroscopie Raman expliquée