A la recherche du matériau électroluminescent du futur

A l’Institut Paul Scherrer PSI, des chercheurs ont scruté l’intérieur d’un 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 d’illumination pour l’éclairage intérieur.

Cela fait longtemps que les chercheurs sont en quête de matériaux présentant ces caractéristiques. Les nouvelles connaissances générées à ce sujet permettront à l’avenir de développer bientôt de nouveaux appareils d’éclairage à bas coûts. L’étude paraît aujourd’hui dans la revue spécialisée Nature Communications.

Le composé en question est un solide jaunâtre. Lorsqu’on le dissout dans un liquide ou qu’on s’en sert pour enduire une électrode d’une couche mince avant d’appliquer un courant électrique, il émet une lumière verte intense. La raison: les molécules qui le composent absorbent l’énergie fournie, puis elles l’émettent à nouveau peu à peu sous forme de lumière. Ce processus est appelé électroluminescence. C’est 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. Aujourd’hui, les premiers écrans de télévision flexibles incluant ces matériaux arrivent sur le marché.

Les OLED devraient aussi permettre l’avènement de modules de grande surface d’illumination pour l’éclairage intérieur. Mais pour ce faire, il faut d’abord 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 l’iridium, ce qui empêche leur application à grande échelle et sur des surfaces étendues. Or sans ces ajouts, les matériaux sont seulement en mesure d’émettre sous forme de lumière une petite partie de l’énergie qui leur est fournie, le reste se perd par exemple sous forme d’énergie vibratoire.

L’objectif 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 d’illumination pour l’éclairage. 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 d’atomes 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 l’état excité de ce composé», explique Grigory Smolentsev, physicien dans le groupe de recherche Operando-Spectroscopie. Autrement dit, d’identifier les changements que subit la substance lorsqu’elle absorbe de l’énergie. La structure de la molécule, par exemple, se modifie-t-elle? Comment la charge se répartit-elle sur les différents atomes après l’excitation? «Cela nous révèle l’importance probable des pertes d’énergie 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 qu’à l’European 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 l’excitation. Les chercheurs peuvent maintenant commencer à optimiser la substance pour l’utilisation dans des OLED.

Une aide pour l’avenir

L’objectif des mesures menées aux trois grandes installations de recherche – au PSI et à Grenoble – n’était pas seulement d’étudier ce composé de cuivre. Au-delà, les données expérimentales obtenues permettent aussi d’améliorer les calculs théoriques de certaines molécules. «Ainsi, nous pourrons mieux prédire à l’avenir 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.»

Les résultats de l’étude ont été publiés le 1er mai 2020 dans la revue spécialisée Nature Communications.

Texte: Institut Paul Scherrer/Brigitte Osterath

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