Matériaux luminescents : techniques de caractérisation optique et spectroscopique

Les matériaux luminescents font partie aujourd'hui de notre quotidien. Mais qu'il s'agisse d'éclairage, d'affichage ou de signalisation publique, de télécommunications optiques à haut débit ou d'ordinateur quantique, de cellule solaire ou de laser pour applications civiles ou militaires, de nombreuses améliorations doivent être apportées et de nombreux matériaux et systèmes originaux et innovants doivent être encore découverts, à la fois pour augmenter les rendements et abaisser les coûts de fabrication tout en limitant, si ce n'est en réduisant, les risques pour la santé et l'environnement. Pour cela, quantité de laboratoires et d'instituts publics et privés, dans les pays déjà fortement industrialisés mais aussi dans les pays émergents, y consacrent des moyens financiers et humains de plus en plus importants. De nombreux chercheurs physico-chimistes, opticiens, spectroscopiques ou physiciens des lasers doivent être formés pour utiliser quantité de méthodes et de techniques pour caractériser les matériaux qu'ils ont eux-mêmes conçus ou fabriqués ou qu'on leur a fournis pour les intégrer dans les systèmes qu'ils doivent tester. Il s'agit en général de caractérisations chimiques et structurales, de caractérisations thermiques et thermomécaniques et/ou de caractérisations optiques et spectroscopiques.

Plusieurs articles ont déjà été dédiés aux propriétés optiques et spectroscopiques des matériaux luminescents organiques pour les OLED et aux matériaux inorganiques dopés terres rares ou ions de transition pour l'éclairage, les cellules solaires de 3^e génération et les lasers. Nous nous intéresserons plus particulièrement dans cet article à cette deuxième catégorie de matériaux luminescents mais surtout du point de vue des méthodes et techniques de caractérisation optiques et spectroscopiques. Le but est de présenter ce qu'on peut trouver comme techniques commerciales mais aussi de décrire le fonctionnement et les caractéristiques des outils utilisés, qu'il s'agisse de sources d'excitation lumineuse, de détecteurs ou de systèmes d'analyse et de traitement du signal. Toutes les méthodes et techniques classiques de caractérisation spectroscopiques (absorption, émission, excitation, temps de vie de fluorescence, rendement quantique) seront passées en revue, en prenant soin chaque fois de détailler les aspects de calibrage et d'exploitation des résultats en fonction des systèmes étudiés.

On verra par exemple comment corriger les spectres de la réponse spectrale des appareils, comment tenir compte de la polarisation dans le cas de cristaux biréfringents, comment éviter les problèmes posés par le piégeage radiatif, comment déterminer des rapports de branchements, comment décrire l'évolution thermique des spectres observés et enfin comment calibrer les spectres en unité de section efficace. Une autre partie sera consacrée quant à elle à des mécanismes et des techniques de mesures plus spécifiques. Seront décrites plus particulièrement les techniques pompe-sonde qui permettent d'enregistrer et de calibrer les spectres d'absorption dans les états excités des ions, les méthodes de caractérisation des spectres d'excitation multi-photons et de luminescence dite « coopérative », et les techniques pompe-sonde pour enregistrer les variations d'indices de réfraction d'origine thermique ou électronique résultant d'un fort pompage optique.