Capturer les durées de vie de la photoluminescence de nanoparticules dopées aux terres rares

Des équipes du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS québécois ont mis au point une technique d’imagerie SWIR de haute précision, capable de capturer des durées de vie allant de la microseconde à la milliseconde.

Les éléments de terres rares, qui sont des métaux stratégiques, possèdent des propriétés lumineuses uniques qui en font des outils de recherche très attrayants, à l’heure actuelle, dans le monde scientifique. De plus, la durée de vie de la photoluminescence des nanoparticules dopées à ces ions a l’avantage d’être peu affectée par des éléments extérieurs.

Sa mesure par imagerie permet donc d’obtenir des données dont on peut tirer une information précise et très fiable. Mais les systèmes optiques jusqu’alors disponibles, tels que le comptage de photons uniques corrélés en temps, n’étaient pas optimaux. « Ils offraient des possibilités limitées en raison d’une détection inefficace des photons, d’une vitesse d’imagerie limitée et d’une faible sensibilité », explique le professeur Jinyang Liang, spécialiste de l’imagerie ultra-rapide et biophotonique.

Les équipes des professeurs Jinyang Liang et Fiorenzo Vetrone du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) québécois – et non l’Institut national de recherche et de sécurité français – ont mis au point un nouveau système pour l’imagerie des nanoparticules. Il s’agit d’une technique d’imagerie dans le spectre infrarouge à ondes courtes (SWIR) de haute précision, capable de capturer les durées de vie de la photoluminescence des nanoparticules dopées aux terres rares de la microseconde à la milliseconde.

Cette découverte, qui a fait l’objet d’un article coécrit par Miao Liu, la première auteure de l’étude et doctorante en science de l’énergie et des matériaux sous la direction des deux professeurs, Yingming Lai, Miguel Marquez, Fiorenzo Vetrone et Jinyang Liang, et paru dans la revue Advanced Science le 6 janvier 2024, ouvre la voie à des applications prometteuses, en particulier dans les domaines du biomédical et de la sécurité des informations.

Pour répondre au défi de temps de séjour des pixels trop longs pour construire la courbe de décroissance de l’intensité de la photoluminescence, en raison de taux de répétition de l’excitation limités, les équipes ont combiné l’optique par balayage de fentes et une caméra à haute sensibilité. Ce dispositif SWIR-PLIMASC (SWIR pour Short Wave Infrared et PLIMASC pour Photoluminescence Lifetime Imaging Microscopy using an All-optical Streak Camera) permet une cartographie largement améliorée des propriétés optiques de la durée de vie de la photoluminescence dans l’infrarouge à onde courte.

Dans le domaine de l’optique, c’est ainsi le premier système d’imagerie SWIR à haute sensibilité et à très grande vitesse. « Il présente plusieurs avantages. D’une part, il répond à une large gamme spectrale de 900 à 1 700 nm et permet de détecter la photoluminescence à différentes longueurs d’onde et/ou bandes spectrales », indique Miao Liu.

Avec l’aide de ce dispositif, les durées de vie de la photoluminescence dans l’infrarouge peuvent être directement capturées en un clic avec une vitesse d’imagerie 1D réglable de 10,3 à 138,9 kHz. Enfin, l’opération qui attribue les informations temporelles de la photoluminescence à différentes positions spatiales fait en sorte que l’ensemble du processus de décroissance de l’intensité de la photoluminescence 1D peut être enregistré en un clic, sans excitation répétitive.