A lInstitut Paul Scherrer PSI, des chercheurs ont scruté lintérieur dun matériau prometteur pour les diodes organiques électroluminescentes (OLED). Cette substance présente un très bon rendement lumineux et sa fabrication à grande échelle serait peu coûteuse. Elle semble donc comme faite pour être utilisée dans des modules de grande surface dillumination pour léclairage intérieur. Cela fait longtemps que les chercheurs sont en quête de matériaux présentant ces caractéristiques. Les nouvelles connaissances générées à ce sujet permettront à lavenir de développer bientôt de nouvaux appareils d'éclairage à bas coûts. Létude paraît aujourdhui dans la revue spécialisée Nature Communications.
Le composé en question est un solide jaunâtre. Lorsquon le dissout dans un liquide ou quon sen sert pour enduire une électrode dune couche mince avant dappliquer un courant électrique, il émet une lumière verte intense. La raison: les molécules qui le composent absorbent lénergie fournie, puis elles lémettent à nouveau peu à peu sous forme de lumière. Ce processus est appelé électroluminescence. Cest sur ce principe que sont basées les diodes électroluminescentes.
Cette substance est une candidate prometteuse pour la fabrication de diodes organiques électroluminescentes (OLED). Depuis trois ans environ, les OLED sont intégrées par exemple dans les écrans de smartphones. Aujourdhui, les premiers écrans de télévision flexibles incluant ces matériaux arrivent sur le marché.
Les OLED devraient aussi permettre lavènement de modules de grande surface dillumination pour léclairage intérieur. Mais pour ce faire, il faut dabord réussir à identifier les bons matériaux. Car nombre de substances qui entrent en ligne de compte pour la fabrication des OLED contiennent des métaux coûteux comme liridium, ce qui empêche leur application à grande échelle et sur des surfaces étendues. Or sans ces ajouts, les matériaux sont seulement en mesure démettre sous forme de lumière une petite partie de lénergie qui leur est fournie, le reste se perd par exemple sous forme dénergie vibratoire.
Lobjectif de la recherche actuelle est de trouver des matériaux plus efficaces pour produire des écrans plus écologiques et peu coûteux, ainsi que des modules de grande surface dillumination pour léclairage. Des progrès sont attendus de métaux bon marché et aisément disponibles comme le cuivre.
Scruté à la loupe
Des chercheurs ont maintenant étudié en détail le composé de cuivre CuPCP. Au milieu de ces molécules, on trouve quatre atomes de cuivre entourés datomes de carbone et de phosphore. Le cuivre est un matériau relativement bon marché et le composé se prête bien à une production en grandes quantités. Autrement dit, des conditions idéales pour une utilisation sur de grandes surfaces.
«Notre objectif était de comprendre à quoi ressemble létat excité de ce composé», explique Grigory Smolentsev, physicien dans le groupe de recherche Operando-Spectroscopie. Autrement dit, didentifier les changements que subit la substance lorsquelle absorbe de lénergie. La structure de la molécule, par exemple, se modifie-t-elle? Comment la charge se répartit-elle sur les différents atomes après lexcitation? «Cela nous révèle limportance probable des pertes dénergie qui ne sont pas libérées sous forme de lumière, poursuit le chercheur. Et cela nous montre comment nous pourrions minimiser ces pertes.»
Les chercheurs emmenés par Grigory Smolentsev ont examiné en détail les états excités très brefs du composé de cuivre aux deux grandes installations de recherche du PSI la Source de Lumière Suisse SLS et le laser à rayons X à électrons libres SwissFEL ainsi quà lEuropean Synchrotron Radiation Facility à Grenoble.
Les mesures ont confirmé que, par sa structure chimique, cette substance était une bonne candidate pour les OLED. Les propriétés chimiques quantiques du composé rendent possible un très bon rendement lumineux. Notamment parce que la molécule est relativement rigide: sa structure tridimensionnelle ne change guère lors de lexcitation. Les chercheurs peuvent maintenant commencer à optimiser la substance pour lutilisation dans des OLED.
Une aide pour lavenir
Lobjectif des mesures menées aux trois grandes installations de recherche au PSI et à Grenoble nétait pas seulement détudier ce composé de cuivre. Au-delà, les données expérimentales obtenues permettent aussi daméliorer les calculs théoriques de certaines molécules. «Ainsi, nous pourrons mieux prédire à lavenir quels sont les composés adaptés pour les OLED et quels sont les composés qui le sont moins, relève Grigory Smolentsev. Les données de mesures permettent aux chimistes de comprendre quelle est la partie de la molécule qui fait obstacle à une bonne efficacité. Et, bien sûr, comment améliorer le composé pour augmenter son rendement lumineux.»
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Les résultats de létude ont été publiés le 1er mai 2020 dans la revue spécialisée Nature Communications.
Texte: Institut Paul Scherrer/Brigitte Osterath
À propos du PSI
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Contact
Dr Grigory Smolentsev
Operando-Spectroscopie
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 51 73, e-mail: grigory.smolentsev@psi.ch [anglais, russe]
Publication originale
Triplet excited state of organometallic luminophore for OLEDs probed with pump-probe X-ray techniques G. Smolentsev, C. Milne, A. Guda, K. Haldrup, J. Szlachetko, N. Azzaroli, C. Cirelli, G. Knopp, R. Bohinc, S. Menzi, G. Pamfilidis, D. Gashi, M. Beck, A. Mozzanica, D. James, C. Bacellar, G. Mancini, A. Tereshchenko, V. Shapovalov, W. Kwiatek, J. Czapla-Masztafiak, A. Cannizzo, M. Gazzetto, M. Sander, M. Levantino, V. Kabanova, M. Olaru, M. Vogt Nature Communications, 1er mai 2020 (en ligne) DOI: 10.1038/s41467-020-15998-z
Journal
Nature Communications