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Propriétés optiques et photoniques de matériaux moléculaires bistables à transition de spin et leurs applications.

LCC

Objectif, Stratégies

Une des composantes développées dans l’équipe consiste à utiliser le changement des propriétés optiques des (nano-)matériaux bistables à transition de spin pour réaliser des capteurs (de température, pression) à lecture optique, ainsi que des dispositifs photoniques actifs capables de moduler un signal lumineux (longueur d’onde, intensité de la lumière, etc.).

Une propriété bien connue des matériaux à transition de spin est leur changement de couleur lors de la transition (induite, par exemple, par un changement de température). Cette propriété de thermochromisme est utilisée dans l’équipe pour réaliser des capteurs de température de surface (cartographie thermique), utilisant un film mince nanométrique à TS que l’on dépose sur la surface à mesurer. Une méthode de détection utilisée consiste notamment à doper nos films minces à TS à l’aide d’un luminophore (EXEMPLE) dans le but d’exacerber l’effet du changement de couleur avec la température. En effet, le changement des propriétés d’absorption optique avec la transition permet de mettre en résonance la bande d’absorption du composé à TS avec la bande d’émission du luminophore dans un des deux états de spin, ce qui permet une modulation notable de l’intensité d’émission du luminophore avec la température. Un autre moyen de détection consiste aussi simplement à mesurer l’évolution de la réflectivité optique du film mince à TS. En effet, le changement de l’indice de réfraction avec la transition de spin (lié au changement de la densité du matériau lors de la transition) a pour effet d’exacerber les propriétés de thermoreflectance de la surface, ce qui permet de mesurer la température avec des résolutions (spatiale, thermique et temporelle) accrues (voir highlight).

De plus, les différentes caractéristiques de transition thermique (abrupte, graduelle, avec hystérésis) rencontrées dans les matériaux à TS ouvrent la voie vers la conception d’une large variété d’applications. Alors que l’utilisation d’un composé avec une transition graduelle permet la mesure en temps réel de la température avec une résolution thermique accrue, un composé avec une transition abrupte pourra servir à réaliser un capteur de température binaire (présentant un effet de seuil), tandis que l’intégration d’un composé avec une hystérésis thermique permettra la conception d’un capteur à mémoire thermique. Ces techniques de thermométrie à lecture optique trouvent par exemple des applications dans les domaines de la micro-nano-technologie pour mesurer la température locale de composants électroniques en fonctionnement.

Une autre composante développée dans l’équipe consiste à utiliser le changement de l’indice de réfraction des films minces à TS pour la réalisation de dispositifs photoniques actifs. Les matériaux à transition de spin admettent en effet un changement notable de la partie réelle de l’indice de réfraction (jusqu’à ∆n ≈ 0,1) alors que la partie imaginaire (absorption et pertes optiques) reste négligeable aux tailles nanométriques dans le visible et le proche infrarouge (NIR) dans les deux états de spin. Cette propriété est utilisée pour la fabrication de cavités optiques (de type Fabry-Pérot ou plasmoniques), intégrant des films minces à transition de spin, dans lesquelles un décalage notable des longueurs d’onde de résonance a été mis en évidence sous l’effet de la transition, ouvrant la voie vers un contrôle actif des propriétés photoniques de cavités optiques par le phénomène de transition de spin.

Highlight 1 : Capteur de température de surface à lecture optique

 

Unprecedented switching endurance affords for high-resolution surface temperature mapping using a spin-crossover film. K. Ridier, A.-C. Bas, Y. Zhang, L. Routaboul, L. Salmon, G. Molnár, C. Bergaud and A. Bousseksou.

Nat. Commun. 2020, 11, 3611. (https://doi.org/10.1038/s41467-020-17362-7)

Dans cet article, nous avons utilisé des couches nanométriques à transition de spin pour mesurer la température de surface de circuits microélectroniques. Le rôle de ce film mince bistable est d’accroitre le coefficient de thermoreflectance de la surface permettant une mesure précise de la température par réflectivité optique. Nous avons ainsi démontré la possibilité de cartographier la température de surface avec une résolution spatiale de l’ordre du µm, une résolution temporelle de l’ordre de la µs et une résolution thermique d’environ 1 °C.

 

Highlight 2 : Dispositif photonique actif

A molecular spin-crossover film allows for wavelength tuning of the resonance of a Fabry–Perot cavity. Y. Zhang, K. Ridier, V. Shalabaeva, I. Séguy, S. Pelloquin, H. Camon, S. Calvez, L. Routaboul, L. Salmon, G. Molnár and A. Bousseksou.

  1. Mater. Chem. C 2020, 8, 8007. (https://doi.org/10.1039/D0TC02094J)

Dans cet article, nous avons réalisé la fabrication de cavités optiques de type Fabry-Pérot, dans lesquelles une couche mince moléculaire à transition de spin est intégrée entre deux miroirs semi-réfléchissants d’argent. Dans ces cavités, nous avons montré que le changement de l’indice de réfraction avec la commutation de l’état de spin permet de moduler spectralement les modes de résonance optique de la cavité dans la région spectrale de la lumière visible.

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