12.10 : Photoluminescence : Fluorescence et Phosphorescence

La photoluminescence est un processus par lequel une molécule absorbe l'énergie lumineuse et la réémet sous forme de lumière. Ce phénomène se produit lorsqu'une substance absorbe des photons, ce qui fait passer ses électrons à des états excités de niveau d'énergie plus élevé, suivi d'un processus de relaxation dans lequel les électrons reviennent à leurs niveaux d'énergie d'origine et émettent de la lumière. La photoluminescence est largement observée dans divers matériaux, notamment les semi-conducteurs et les composés organiques et inorganiques.

Une paire d'électrons dans un état de spin singulet occupe le même état fondamental électronique avec des spins opposés, tandis qu'un état excité triplet se produit lorsque le spin d'un électron n'est plus apparié à celui de l'état fondamental. Il existe deux principaux types de photoluminescence basés sur les états de spin des électrons impliqués : la fluorescence et la phosphorescence.

La fluorescence est un type de photoluminescence caractérisé par un temps de décroissance rapide, allant généralement de quelques nanosecondes à quelques microsecondes. En fluorescence, les états excité et fondamental ont la même multiplicité de spin électronique, ce qui signifie que le spin de l'électron reste inchangé pendant la transition. Le processus implique des transitions singulet-singulet, où les états excité et fondamental sont des états singulet où tous les électrons sont appariés.

La phosphorescence est un autre type de photoluminescence caractérisé par des temps de décroissance significativement plus longs, allant de quelques millisecondes à quelques minutes. Dans la phosphorescence, les états excité et fondamental ont des multiplicités de spin électronique différentes. Le processus implique des transitions triplet-singulet, où l'état excité est un état triplet (deux électrons non appariés avec des spins parallèles) et l'état fondamental est un état singulet. Ces transitions sont « interdites par le spin », ce qui signifie que le spin de l'électron doit changer pendant la transition.

La fluorescence et la phosphorescence peuvent être utilisées dans diverses applications, telles que les capteurs optiques, la bioimagerie et les diodes électroluminescentes organiques. Les spectres de photoluminescence sont enregistrés en mesurant l'intensité du rayonnement émis par rapport à la longueur d'onde d'excitation ou à la longueur d'onde d'émission. Les spectres d'excitation sont obtenus en surveillant l'émission à une longueur d'onde fixe tout en faisant varier les longueurs d'onde d'excitation. Les spectres d'émission sont obtenus en utilisant une longueur d'onde fixe pour exciter les molécules.