Le système multifonctionnel d'imagerie de fluorescence par balayage (SFIS) est un instrument de haute précision permettant d'obtenir les propriétés photophysiques des matériaux à l'échelle micro et nanométrique grâce à des techniques de balayage laser de précision, d'acquisition résolue dans le temps et de traitement d'images. Il s'agit de l'un des instruments d'analyse de fluorescence résolue dans le temps les plus avancés au monde à l'heure actuelle. Il est principalement utilisé pour étudier la dynamique de fluorescence et l'imagerie d'échantillons micro-nanométriques de semi-conducteurs, de matériaux de conversion photoélectrique, de matériaux photocatalytiques et d'échantillons biologiques dans l'espace micro-nanométrique. Sa structure principale comprend une source de lumière laser, un microscope (orthogonal ou inversé), un dispositif de balayage laser et des détecteurs, etc., par le biais du contrôle informatique pour effectuer l'acquisition et le traitement d'images numériques entièrement automatisés, l'imagerie confocale de l'intensité de fluorescence, l'imagerie de la durée de vie de la fluorescence, l'imagerie de la migration des porteurs, la spectroscopie de fluorescence micro et nanospatiale, l'acquisition de la spectroscopie Raman, et une variété de fonctions d'imagerie et de détection. Le système peut également être combiné avec des dispositifs à basse température, des dispositifs à haute tension, des détecteurs de photocourant/photovoltage (transitoires) et des dispositifs à tension d'impulsion pour réaliser la détection de la dynamique de fluorescence dans diverses conditions de champ externe, l'imagerie photocourant à haute résolution spatiale, la dynamique et l'imagerie de l'électroluminescence, et d'autres fonctions spéciales.

06Exemple d'application 2 : Imagerie de la dynamique de migration des transporteurs

Principe de l'imagerie : le système utilise l'excitation laser et l'acquisition de fluorescence dans un mode de balayage pour visualiser la dynamique de la migration des porteurs (diffusion) à l'échelle planaire du matériau. Dans ce mode, la lumière d'excitation est introduite par le port arrière du microscope (et non par le champ vibrant), et l'échantillon est excité à un endroit spécifique, tandis que le canal d'acquisition de la fluorescence traverse le champ vibrant et entre dans le détecteur. La position du point d'excitation est maintenue constante pendant le processus d'imagerie, et le balayage du champ vibratoire permet l'acquisition de la fluorescence à différentes positions sur la surface de l'échantillon. Sur la base de la migration des porteurs photogénérés dans les caractéristiques de migration et de luminescence des composés, le mode d'imagerie ci-dessus permet de réaliser la migration des porteurs de la position d'excitation vers les autres positions du processus cinétique de l'échantillon, afin d'obtenir la détection d'imagerie la plus intuitive possible. Le processus cinétique de migration des porteurs peut être reflété par les informations temporelles (acquises par le TCSPC) et les informations de distance (distance du pixel de balayage) entre le point d'acquisition (position du pixel de balayage du champ) et le point d'excitation. En ajustant le processus cinétique de fluorescence, le coefficient de migration des porteurs, le temps complexe des porteurs (durée de vie) et la distance de migration des porteurs des échantillons de taille micro-nanométrique (ou dans l'espace de taille micro-nanométrique des échantillons) peuvent être obtenus simultanément pour la sonde.

Schéma du principe de fonctionnement

Animation du principe de fonctionnement

Échantillon : nanofils de chalcogénure

Mode d'imagerie : imagerie de la dynamique de migration des porteurs

image en accéléré

Visualisation dynamique de l'imagerie

La distribution spatiale de l'intensité de fluorescence des nanofils de chalcogénure a été obtenue en fixant le mode de balayage excitation-fluorescence pour imager la distribution spatiale de l'intensité de fluorescence des nanofils de chalcogénure, dans laquelle l'intensité de fluorescence de l'échantillon à toute position (x,y) au temps t, I(t)x,y, est proportionnelle à la concentration de porteurs au temps t à cette position (φ(t)x,y) : l'intensité de fluorescence de l'échantillon à tout endroit (x,y) est la concentration de porteurs à cet endroit (φ(t)x,y).

Par conséquent, la carte d'imagerie de fluorescence répond au changement de la distribution de la concentration des porteurs dans le nanofil à différents moments, et le processus d'évolution reflète la migration des porteurs du point d'excitation (concentration élevée) vers la région non excitée (concentration faible) du nanofil sous l'effet du gradient de concentration, qui peut être obtenu en extrayant les courbes de puissance de fluorescence de différentes positions et en les ajustant pour obtenir les informations sur la mobilité des porteurs, leur durée de vie et la distance de migration, et peut également être obtenu par le logiciel d'analyse des données. Les cartes d'imagerie de fluorescence à différents moments du nanofil peuvent également être obtenues par le logiciel d'analyse des données, et une carte d'évolution dynamique très intuitive de l'intensité de fluorescence peut être construite.

Références :

W. Tian, C. Zhao, J. Leng, R. Cui, S. Jin*. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12458-12461

Échantillon : Film polycristallin de chalcogénure

Mode d'imagerie : imagerie de la dynamique de migration des porteurs

Imagerie par balayage de l'acquisition de la fluorescence par excitation à point fixe et cinétique d'extraction à point fixe

► Vers une étude cinétique de la migration des porteurs dans des structures polycristallines complexes

►La migration des porteurs à l'intérieur des grains et entre eux peut être observée

(Note : limité par la taille des grains)

Imagerie de l'efficacité de l'extraction des charges de surface dans les films polycristallins de chalcogénures ; Spiro-OMeTAD : accepteur de cavité ; PCBM : accepteur d'électrons

Références :

W. Tian, et al, T. Lian*, S. Jin*. Angew. Chem. Intl. Edit. 2016, 55, 13067-13071.

07Exemple d'application 3 : Imagerie de diffusion de taches de fluorescence

Sur la base du mode d'imagerie par balayage à excitation-fluorescence fixe, les paramètres cinétiques de migration des porteurs ont été obtenus par l'acquisition et l'analyse des changements de la taille de la tache de fluorescence à différents moments après l'excitation.

►Applicable aux systèmes de matériaux à migration de porteurs à courte portée

►La résolution spatiale de la distance de migration peut atteindre : ~50 nm

Échantillon : chalcogénure CS2AgBiBr6

Mode d'imagerie : observation de la diffusion de la fluorescence par points imagerie de la dynamique de la migration des porteurs

Augmentation de la taille du spot

bibliographie

YanfengYin,WenmingTian,*etal.etShengyeJin,ACSEnergyLett. 2022, 7, 154-161

Échantillon : Film de chalcogénure

En utilisant ce système, les chercheurs ont réussi à sonder l'effet de passivation de différents matériaux polymères sur la surface des cellules solaires à chalcogénure et son effet sur l'amélioration des coefficients de mobilité des porteurs.

Références :

Minhuan Wang, et al. Rational selection of the polymeric structure for interface engineering of perovskite solar cells, Joule, 2022.

08Exemple d'application 4 : Imagerie de fluorescence dans une chambre cryogénique

Ce système d'imagerie de fluorescence peut être combiné avec le dispositif cryogénique pour microscope, et selon les paramètres du dispositif cryogénique, les objectifs avec différentes distances de groupe de travail peuvent être sélectionnés pour réaliser l'acquisition efficace des informations de fluorescence. Il peut effectuer une variété d'imagerie et d'acquisition de données telles que l'intensité de fluorescence, la durée de vie de fluorescence, la migration des porteurs, le spectre d'émission de fluorescence, etc. à différentes températures.

Échantillon : nanofil de MAPbI3

Conditions expérimentales : 100X, résolution spatiale < 1μm

Mode d'imagerie : mode d'imagerie confocale à balayage laser

Observation de la distribution spatiale et de l'évolution du processus de transition de phase à basse température dans les nanoparticules de chalcogénure premièrement

09Exemple d'application 5 : Imagerie de fluorescence en chambre hyperbare

Ce système d'imagerie de fluorescence peut être associé à un dispositif à haute pression pour microscope et, en fonction des paramètres du dispositif à haute pression, les lentilles d'objectif avec différentes distances de groupe de travail peuvent être sélectionnées pour obtenir une acquisition efficace des informations de fluorescence. Il peut effectuer une variété d'imagerie et d'acquisition de données telles que l'intensité de fluorescence, la durée de vie de fluorescence, la migration des porteurs, le spectre d'émission de fluorescence, etc. à différentes températures.

Échantillons : nanofeuillets de monocristaux de MAPbI3 et nanofils de MAPbI3

Conditions expérimentales : miroir à air 100X, résolution spatiale < 1μm.

Modes d'imagerie : mode d'imagerie confocale par balayage laser et mode d'imagerie par migration des porteurs

Imagerie par fluorescence à balayage laser de nanofils MAPbI3 sous différentes pressions

Courbes cinétiques de fluorescence à différentes pressions

Imagerie par fluorescence de la migration des porteurs dans des nanofils de MAPbI3 sous différentes pressions

Courbes cinétiques de migration des porteurs à différentes pressions

Références : YanfengYin, WenmingTian, *etal, JimingBian.etShengyeJinACS Energy Lett. 2022, 7, 154-161

10Exemple d'application 6 : imagerie cinétique par électroluminescence

Ce système d'imagerie de fluorescence permet la détection cinétique et l'imagerie de l'électroluminescence (EL) des échantillons (par exemple, des dispositifs ou des matériaux LED) en combinaison avec un générateur d'impulsions électriques, qui est compatible avec la détection de l'intensité de fluorescence, de la durée de vie de la fluorescence et des spectres d'émission de fluorescence/EL en même temps. Le principe de détection consiste à utiliser la technologie TCSPC pour réaliser le processus d'évolution cinétique de la luminescence de l'échantillon et l'imagerie spatiale EL dans des conditions d'impulsion électrique.

Échantillon : Dispositif LED à points quantiques CdSe/ZnSe/Zns

Tension : 10V

Largeur/fréquence d'impulsion : 10μs/10KHz

►La distribution EL de la couche électroluminescente LED peut être observée, et l'existence de zones de mauvais points peut être trouvée.

►Les différences et les variations dans la dynamique de l'EL et les phénomènes de dépassement à différents points régionaux micro-nano ont été observées en extrayant la dynamique de l'EL.

►Observation du processus de vieillissement des LED par l'acquisition continue d'images EL

11Exemple d'application 7 : imagerie photocourant

Ce système d'imagerie de fluorescence est compatible avec la détection de l'intensité de fluorescence, de la durée de vie de fluorescence et du spectre d'émission de fluorescence en combinaison avec un compteur de source pour réaliser l'imagerie du photocourant d'échantillons (cellules solaires ou matériaux photodétectables), l'acquisition et l'imagerie des courbes I-V du micro-nanoespace, etc. Le système est basé sur le principe du balayage d'un point laser focalisé sur l'échantillon et de l'acquisition du photocourant ou d'autres paramètres photo-électriques. Le système est basé sur le principe du balayage d'un point laser focalisé sur l'échantillon et de l'acquisition du photocourant ou d'autres paramètres photoélectriques.

Le système permet l'imagerie du photocourant et de la fluorescence directement sur le dispositif de la cellule solaire.

Schéma du principe de fonctionnement

Imagerie directe de l'état de l'appareil

►Distinguer clairement la structure spatiale des grains cellulaires et des limites de grains, ainsi que la distribution du photocourant entre les différents grains.

►Acquisition compatible de l'intensité de fluorescence et de l'imagerie de durée de vie de la fluorescence pour analyser les mécanismes de génération de photocourant.

imagerie à large spectre

Références :

Zhao, X. ; Wang, Z. ; Tian, W. ; Yan, X. ; Shi, Y. ; Wang, Y. ; Sun, Z. ; Jin, S., A positive correlation between local photocurrent and grain size in a perovskite Journal of Energy Chemistry 2022.

Source : Tristar Spectrum@WeChat

Heure : 2022/05/10