LA N° 574 - juin 2011 SBT feuille rouge inac.cea.fr I SCIB I SPINTEC I Spram I SPSMS I SP2M résonances magnétiques IMPULSIONNELLE ET ULTRASENSIBLE : LA RPE Contact : Serge Gambarelli - SCIB - [email protected] La RPE (Résonance Paramagnétique Electronique) impulsionnelle est une méthode de résonance magnétique dans laquelle on détecte et analyse les moments magnétiques associés au spin électronique. Au sein du laboratoire SCIB/RM nous avons une technique de détection électrique ou optique du signal RPE permettant d’augmenter la sensibilité d’un spectromètre RPE de 6 ordres de grandeur. Le principe de la RPE est simple : l’échantillon à étudier est plongé dans un champ magnétique statique qui oriente les spins électroniques présents. Ceux-ci sont alors manipulés et détectés par des impulsions d’ondes hyperfréquences (quelques GHz) très courtes et très intenses. Puisque la RPE détecte les moments magnétiques associés aux spins électroniques, elle permet d’étudier l’ensemble des composés possédant des électrons non appariés (radicaux libres, ions métalliques dans certains degrés d’oxydation, états triplet, systèmes ferromagnétiques…). Par contre, elle est par principe complètement insensible aux systèmes diamagnétiques qui forment l’immense majorité de la matière qui nous entoure. Il s’agit à première vue d’une limitation sévère. Mais en fait, il s’agit très souvent d’un atout très fort. En effet, de nombreux systèmes paramagnétiques sont créés sous l’effet de perturbations (radiations ionisantes, photons, oxydation, processus de Fig. 1. Exemple d’une étude par RPE résolue en temps sur un système simple : le C60 dilué dans une matrice organique. Juste après l’impulsion laser (t=0), il y a apparition extrêmement rapide d’une espèce détectable, caractérisée par sa forme générale et son champ magnétique de résonance. Des expériences particulières de RPE impulsionnelle (non montrées) permettent d’attribuer à cette espèce un spin électronique S=1 et une structure chimique ne comportant que des carbones et pas d’hydrogène : c’est l’état triplet du C60. Le signal de cette espèce décroît rapidement en fonction du temps à cause de phénomènes de désexcitation. vieillissement…) en très faibles quantités à partir d’un système diamagnétique. La RPE permet alors d’étudier seulement ces systèmes actifs au milieu d’une mer de diamagnétisme : il s’agit de la version microscopique de la recherche d’une aiguille (paramagnétique) au milieu de la botte de foin (diamagnétique). Prenons l’exemple d’un dispositif photovoltaïque : la lumière interagit avec les composants (pigments, dopants, silicium…) initialement diamagnétiques, pour former des excitons, des états triplets, des paires de radicaux… paramagnétiques. On étudie ces phénomènes sur un sytème modèle, par exemple un composé photoactif comme le C60, illuminé directement dans un spectromètre de RPE, en général par un laser pulsé. Grâce à des méthodes de détection particulières, il est possible d’analyser les espèces paramagnétiques présentes dans l’échantillon en fonction du temps avec une résolution de quelques nanosecondes. On obtient ainsi des cartes bidimensionnelles (Fig. 1). Dans notre laboratoire, nous avons développé depuis longtemps une RPE impulsionnelle couplée à un laser. Plus récemment, nous avons acquis un dispositif optique permettant d’engendrer des impulsions laser d’une durée de quelques nanosecondes sur une plage continue de longueurs d’onde (0,4 - 2 µm). Il est donc possible d’étudier les phénomènes physiques impliqués dans ces systèmes en fonction de la longueur d’onde. Avons-nous une méthode spectroscopique totalement efficace ? Presque ! Pour étudier correctement des systèmes individuels (par exemple nanostructurés), la sensibilité de cette Unités associées à Le masque et la pointe Le tout-en-un pour l’électronique et le photovoltaïque organique. Au verso expérience est parfois insuffisante. Comment l’augmenter ? Par une détection optique ou de courant électrique. Dans ce cas, l’onde électromagnétique du spectromètre RPE est utilisée pour manipuler les spins électroniques des espèces photoinduites de façon à modifier leur rendement de recombinaison ou de dissociation. Il en résulte un changement de l’intensité de la fluorescence ou du photocourant détectable directement et très efficacement par les méthodes pODMR ou pEDMR (résonance magnétique impulsionnelle détectée Optiquement ou Electriquement) (Fig. 2). Elles combinent une sensibilité accrue d’un facteur 106 par rapport à la RPE classique avec tout le potentiel d’analyse de la spectroscopie RPE impulsionnelle. Ce montage est en cours de développement dans notre laboratoire. Il sera unique en France et comparable aux meilleurs systèmes développés en Allemagne et aux Etats-Unis. Il nous servira notamment dans nos recheches sur les nouvelles technologies pour l’énergie et sur le calcul quantique. Fig. 2. Dans un spectromètre classique (gauche), la manipulation des spins et la détection se font grâce à des microondes (en rouge). Dans une EDMR (centre), la manipulation des spins se fait toujours par microondes mais la détection se fait grâce à la mesure d’un photocourant. Enfin, dans le cas d’une ODMR (droite), la détection se fait via un monochromateur et un photomultiplicateur qui récoltent les photons émis par l’échantillon.