Capteurs organiques à couche mince pour l'analyse des sources lumineuses et les applications anti-contrefaçon

Dans une publication récente parue dans la revue scientifique "Advanced Materials", une équipe de physiciens et de chimistes de l'Université technique de Dresde 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 en couches minces pourraient à l'avenir rendre inutile l'utilisation de spectromètres externes. Une demande de brevet a déjà été déposée pour cette nouvelle technologie.

La spectroscopie comprend un groupe de méthodes expérimentales qui décomposent le rayonnement en fonction d'une propriété spécifique, par exemple 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 encore. Les instruments disponibles dans le commerce sont généralement relativement grands et très coûteux. Ils sont pour la plupart 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 physique appliquée et de 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 pour atteindre la maturité du marché. Aujourd'hui, les chercheurs de l'IAP et de l'IAPP, en coopération avec l'Institut de chimie physique, ont mis au point un capteur à couche mince qui décrit une toute nouvelle façon d'identifier la longueur d'onde de la lumière et qui, en raison de sa petite taille et de son coût, présente des avantages évidents par rapport aux spectromètres disponibles dans le commerce.

Le principe de fonctionnement de ces nouveaux capteurs est le suivant : La lumière d'une longueur d'onde inconnue excite des matériaux luminescents dans un film très fin. Le film est constitué d'un mélange d'entités à longue (phosphorescente) et courte (fluorescente) lueur, 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'il est correctement composé, certaines proportions d'états de spin triplet à longue durée de vie et singlet 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 de la lumière."

"La grande force de notre alliance de recherche ici à Dresde, ce sont nos partenaires", explique 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 des films, pour finir 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 : "Honnêtement, j'ai été très impressionné par le fait qu'un simple film photoactif combiné à un photodétecteur puisse former un dispositif de si haute résolution." Grâce à 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. Outre la caractérisation des sources lumineuses, les nouveaux capteurs peuvent également être utilisés pour la protection contre la contrefaçon : "Ces capteurs, petits et peu coûteux, pourraient être utilisés, par exemple, pour vérifier rapidement et de manière fiable la présence de certains éléments de sécurité sur des billets de banque ou des documents et ainsi déterminer leur authenticité, sans avoir recours à une technologie de laboratoire coûteuse", explique Anton Kirch.