Amélioration de l'efficacité d'émission en bande étroite dans le proche infrarouge du thulium par modulation de réseau pour l'imagerie biologique par absorption réflexe
Contexte de la recherche
La lumière du proche infrarouge (NIR) possède une valeur d’application importante dans le domaine biomédical, en particulier pour l’imagerie non invasive à haute résolution. La lumière NIR peut pénétrer les tissus biologiques, et à certaines longueurs d’onde (telles que 800 nm), elle présente une différence d’absorption significative entre l’hémoglobine oxygénée et désoxygénée, ce qui fait de la NIR une source lumineuse idéale pour l’imagerie biologique. Cependant, les matériaux émetteurs NIR existants souffrent généralement d’une efficacité quantique externe (EQE) faible et d’une large largeur de bande d’émission, ce qui limite le rapport signal-bruit et donc leur application en imagerie biologique.
Afin de résoudre ce problème, les chercheurs ont commencé à explorer le potentiel des ions de terres rares (tels que les ions thulium, Tm³⁺) comme matériaux émetteurs NIR. Les ions Tm³⁺ présentent des pics d’émission étroits, permettant une imagerie NIR à haute résolution. Toutefois, en raison du caractère interdit des transitions électroniques 4f/4f, l’efficacité d’absorption et le rendement quantique du Tm³⁺ sont faibles, et les transitions non radiatives sont fréquentes. Ainsi, comment améliorer l’efficacité d’émission NIR des ions Tm³⁺ est devenu un point clé de la recherche actuelle.
Source de l’article
Cet article a été réalisé par Kaina Wang, Jipeng Fu, Sibo Zhan et d’autres auteurs. L’équipe de recherche provient de plusieurs institutions dont l’Institut des matériaux et dispositifs optoélectroniques de l’Université de métrologie de Chine, le Centre de recherche avancée en science et technologie sous haute pression, l’École des sciences et génie des matériaux de l’Université des sciences et techniques de Pékin, etc. L’article a été publié le 13 mars 2025 dans la revue Chem, sous le titre « Boosting Narrow-Band Near-Infrared-Emitting Efficiency of Thulium by Lattice Modulation for Reflective Absorption Bioimaging ».
Processus de recherche
1. Synthèse et caractérisation des matériaux
L’équipe a d’abord synthétisé, par réaction solide à haute température, une poudre phosphorescente de sulfure de strontium co-dopée au thulium (Tm³⁺) et au sodium (Na⁺) (SrS: Tm³⁺, Na⁺). Les étapes incluent le mélange stœchiométrique de SrCO₃, Tm₂O₃, S et Na₂CO₃, suivi d’un broyage homogène et d’une calcination dans un four à moufle à 1100°C pendant 2 h. Du charbon actif était utilisé comme agent réducteur pour prévenir l’oxydation des sulfures pendant la synthèse.
Les échantillons synthétisés ont été analysés par diffraction des rayons X (XRD), confirmant leur structure cubique de type sel gemme. La microscopie électronique à balayage (SEM) et la spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS) ont montré que la taille des particules varie de 5 à 15 microns, avec une distribution homogène des éléments Sr, S, Tm et Na. De plus, la spectrométrie d’émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) a permis de mesurer la concentration effective de dopage en Tm³⁺ et Na⁺.
2. Étude des performances spectroscopiques
Les propriétés optiques de SrS: Tm³⁺, Na⁺ ont été étudiées au moyen de la photoluminescence (PL) et des spectres d’excitation (PLE). Les résultats montrent qu’avec une excitation à 282 nm, le Tm³⁺ présente des pics d’émission NIR à 794 nm (³H₄ → ³H₆) et à 1224 nm (³H₅ → ³H₆). Par l’introduction du Na⁺, l’équipe a réussi à supprimer les phonons du réseau, augmentant l’efficacité quantique externe (EQE) de 33,6 % à 53,7 % et améliorant nettement la stabilité thermique du matériau.
3. Défauts du réseau et mécanisme local d’ordre/désordre
Pour révéler l’impact du dopage Na⁺ sur les propriétés des matériaux, diverses méthodes ont été employées : résonance magnétique nucléaire à l’état solide (NMR), résonance paramagnétique électronique (EPR) et diffusion totale des rayons X. Les résultats montrent que l’introduction du Na⁺ non seulement compense la charge positive générée par le dopage du Tm³⁺, mais améliore également l’efficacité du transfert d’énergie grâce à la distorsion locale du réseau. Par ailleurs, des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ont été menés sur la structure de bande de SrS, révélant que les lacunes en Sr élargissent nettement la bande interdite, renforçant ainsi l’absorption des porteurs.
4. Élaboration de LED NIR et application à l’imagerie biologique
L’équipe a combiné la poudre SrS: Tm³⁺, Na⁺ avec des puces LED UV de 280 nm afin de fabriquer des LEDs NIR. Des images vasculaires du bras et de la paume humaines ont été enregistrées par caméra infrarouge, démontrant le potentiel du matériau en imagerie biologique. Les résultats montrent que la LED NIR à base de SrS: Tm³⁺, Na⁺ permet de visualiser clairement la distribution vasculaire, et que ses performances d’imagerie surpassent celles des sources commerciales à semi-conducteurs.
Résultats et conclusions
Développement de matériaux émetteurs NIR à haute efficacité : Par modulation du réseau et dopage en Na⁺, l’équipe a développé avec succès une poudre phosphorescente SrS: Tm³⁺, Na⁺, présentant une EQE de 53,7 % et une stabilité thermique améliorée.
Mécanisme de défauts du réseau et de désordre local : Les recherches ont mis en lumière le rôle des lacunes en Sr et du dopage en Na⁺, confirmant l’importance de la distorsion locale dans l’amélioration du transfert d’énergie.
Application à l’imagerie biologique par LED NIR : La LED NIR basée sur SrS: Tm³⁺, Na⁺ offre d’excellentes performances pour l’imagerie vasculaire, apportant une nouvelle solution pour l’imagerie biologique non invasive à haute résolution.
Points forts de la recherche
Émission NIR étroite et très efficace : Par modulation du réseau et dopage en Na⁺, l’équipe a sensiblement amélioré l’efficacité d’émission NIR du thulium, aboutissant à une émission étroite et très performante.
Élaboration du mécanisme de désordre local : Les analyses par NMR à l’état solide, EPR et diffusion totale des rayons X ont permis de révéler en profondeur l’impact des défauts du réseau et du désordre local sur les propriétés des matériaux.
Validation de l’application en imagerie biologique : L’équipe a appliqué avec succès la poudre SrS: Tm³⁺, Na⁺ aux LEDs NIR, validant la valeur potentielle du matériau pour l’imagerie biologique.
Signification et valeur de la recherche
Cette étude a permis, grâce à la modulation du réseau et au dopage en Na⁺, de développer un matériau émetteur NIR à bande étroite et haute efficacité, résolvant les problèmes d’efficacité et de largeur de bande des matériaux NIR traditionnels. Elle offre non seulement une nouvelle solution pour l’imagerie biologique à haute résolution, mais également une nouvelle voie pour l’optimisation des propriétés des matériaux luminescents à base d’ions de terres rares. Par ailleurs, le mécanisme de désordre local révélé dans cette étude apporte une base théorique pour l’amélioration des performances d’autres matériaux optoélectroniques.