Les écrans du futur s’affranchissent des métaux lourds grâce à une découverte

La superposition d’un matériau organique sur des matériaux 2D permet d’obtenir une émission stable et rapide de lumière phosphorescente sans utiliser de métaux lourds coûteux et dangereux. Les écrans de téléviseurs, de smartphones ou autres pourraient être fabriqués à l’aide d’un nouveau type de matériau LED organique mis au point par une équipe internationale, codirigée par des ingénieurs de l’université du Michigan. Ce matériau conserve des couleurs et des contrastes nets tout en remplaçant le métal lourd par un nouveau matériau hybride.

Curieusement, le matériau semble également enfreindre une règle quantique.

Les dispositifs OLED actuellement sur le marché comprennent des composants à base de métaux lourds tels que l’iridium et le platine, qui améliorent l’efficacité, la luminosité et la gamme de couleurs de l’écran. Mais ils présentent des inconvénients : un coût nettement plus élevé, une durée de vie plus courte et des risques accrus pour la santé et l’environnement.

Dans les OLED, l’émission de lumière par phosphorescence, plus efficace sur le plan énergétique, est préférée à la fluorescence, mais la phosphorescence se produit plus lentement, en l’espace de quelques millisecondes ou plus sans le métal lourd. Il est nécessaire d’accélérer la phosphorescence pour qu’elle se produise en quelques microsecondes afin de rester en phase avec les écrans modernes, qui fonctionnent à 120 images par seconde, sans produire d’image « fantôme » persistante. C’est là un rôle clé des métaux lourds.

« Nous avons trouvé un moyen de fabriquer une molécule organique phosphorescente capable d’émettre de la lumière à l’échelle de la microseconde, sans inclure de métaux lourds dans le cadre moléculaire », indique Jinsang Kim, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’U-M et co-auteur correspondant de l’étude publiée dans Nature Communications.

Dong Hyuk Park, professeur de sciences et d’ingénierie chimiques et biomédicales à l’université Inha, et Sunkook Kim, professeur de sciences et d’ingénierie des matériaux avancés à l’université Sungkyunkwan, tous deux en République de Corée, sont également coauteurs de l’étude.

La différence de vitesse entre la fluorescence et la phosphorescence est due à ce qui se passe lorsque les électrons du courant électrique qui traverse le matériau OLED glissent vers un niveau d’énergie élevé dans les orbitales électroniques disponibles de la molécule, connu sous le nom d’état excité – un peu comme si l’on sautait sur un barreau d’une échelle. Dans le cas de la fluorescence, ils peuvent immédiatement libérer l’énergie sous forme de lumière, en redescendant à l’état fondamental. Mais dans le cas de la phosphorescence, ils doivent d’abord effectuer une conversion.

Cette conversion est liée au spin de l’électron. Chaque électron a un partenaire dans son état fondamental, et une règle de mécanique quantique – le principe d’exclusion de Pauli – exige qu’ils tournent dans des directions opposées. Mais lorsqu’un électron glisse vers cet échelon supérieur, il peut se retrouver à tourner dans les deux sens, car chaque électron est désormais seul dans son orbite. Il ne reste opposé à son partenaire qu’un quart du temps, et c’est ce cas qui est à l’origine de la fluorescence.

La phosphorescence est trois fois plus efficace car elle exploite également les 75 % restants d’électrons excités, mais il faut que l’électron inverse sa rotation avant de pouvoir redescendre. Dans les matériaux phosphorescents classiques, le gros noyau atomique du métal lourd génère un champ magnétique qui force l’électron excité de même sens de spin à tourner rapidement, ce qui accélère l’émission de lumière lorsqu’il retourne à son état fondamental.

Le nouveau matériau place une couche 2D de molybdène et de soufre à proximité d’une couche tout aussi fine de matériau organique émettant de la lumière, obtenant ainsi le même effet par proximité physique sans liaison chimique. Cette construction hybride accélère l’émission de lumière de 1 000 fois, ce qui permet d’atteindre des vitesses suffisantes pour les écrans modernes.

L’émission de lumière se produit entièrement à l’intérieur du matériau organique, sans la faible liaison métal-ligand organique, ce qui permet au matériau de durer plus longtemps. Les OLED phosphorescentes qui reposent sur des métaux lourds utilisent également les métaux pour produire la couleur, et les liaisons chimiques plus faibles entre le métal et le matériau organique peuvent se rompre lorsque deux électrons excités entrent en contact, ce qui diminue la luminosité du pixel.

L’épuisement des pixels est un problème particulier pour la lumière bleue à haute énergie qui n’a pas encore été résolu, mais l’équipe de recherche espère que sa nouvelle approche de la conception permettra d’obtenir des pixels phosphorescents bleus stables. Les OLED actuelles utilisent des pixels rouges et verts phosphorescents et des pixels bleus fluorescents, ce qui permet d’éviter l’épuisement des pixels bleus au détriment de l’efficacité énergétique.

Au-delà des applications potentielles, l’analyse de ce système moléculaire hybride a permis de mesurer un phénomène autrefois considéré comme impossible : des électrons appariés partageant une orbitale semblaient avoir un spin combiné dans l’obscurité, ce qui suggère un état « triplet » interdit, alors que leurs spins devraient s’annuler.

« Nous ne comprenons pas encore tout à fait ce qui cause ce caractère triplet dans l’état fondamental, car cela viole le principe d’exclusion de Pauli. C’est tout à fait impossible, mais en regardant les données de mesure, oui, cela semble être le cas », a déclaré M. Kim. « C’est pourquoi nous nous posons beaucoup de questions sur ce qui se passe réellement ».

L’équipe de recherche étudiera comment le matériau atteint des états fondamentaux à caractère triplet tout en recherchant des applications potentielles pour les dispositifs spintroniques.

Légende illustration : Nouvelle molécule organique à phosphorescence rapide comparée à la phosphorescence lente conventionnelle.

Article : « Microsecond triplet emission from organic chromophore-transition metal dichalcogenide hybrids via through-space spin orbit proximity effect » – DOI: 10.1038/s41467-024-51501-8

Source : U. Michigan – Traduction Enerzine.com