Une étude renouvelée d'une molécule qui a été synthétisée à l'origine dans le but de créer un pigment absorbant la lumière unique a conduit à l'établissement d'une nouvelle stratégie de conception pour des molécules électroluminescentes efficaces avec des applications dans les écrans et l'éclairage de nouvelle génération.

Des chercheurs du Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) de l'Université de Kyushu ont démontré qu'une molécule qui modifie légèrement sa structure chimique avant et après l'émission peut atteindre une efficacité élevée dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED).

En plus de produire des couleurs vives, Les OLED peuvent être fabriqués en tout, des pixels minuscules aux panneaux larges et flexibles, ce qui les rend extrêmement attrayants pour les écrans et l'éclairage.

Dans un OLED, les charges électriques injectées dans des films minces de molécules organiques se rassemblent pour former des paquets d'énergie - appelés excitons - qui peuvent produire une émission de lumière.

Le but est de convertir tous les excitons en lumière, mais les trois quarts des excitons créés sont des triplés, qui ne produisent pas de lumière dans les matériaux conventionnels, tandis que le quart restant sont des maillots, qui émettent par un processus appelé fluorescence.

Inclusion d'un métal rare, comme l'iridium ou le platine, dans une molécule peut permettre une émission rapide des triplets par phosphorescence, qui est actuellement la technologie dominante pour les OLED hautement efficaces.

Un mécanisme alternatif est l'utilisation de la chaleur dans l'environnement pour donner aux triplets un élan énergétique suffisant pour les convertir en singulets électroluminescents.

Ce processus, connue sous le nom de fluorescence retardée activée thermiquement (TADF), se produit facilement à température ambiante dans des molécules conçues de manière appropriée et a l'avantage supplémentaire d'éviter le coût et la liberté de conception moléculaire réduite associés aux métaux rares.

Cependant, la plupart des molécules TADF reposent toujours sur la même approche de conception de base.

"De nombreuses nouvelles molécules TADF sont signalées chaque mois, mais nous continuons à voir la même conception sous-jacente avec des groupes donneurs d'électrons connectés à des groupes accepteurs d'électrons, " dit Masashi Mamada, chercheur principal sur l'étude rapportant les nouveaux résultats.

« Trouver des conceptions moléculaires fondamentalement différentes qui présentent également un TADF efficace est la clé pour débloquer de nouvelles propriétés, et dans ce cas, nous en avons trouvé un en regardant le passé avec une nouvelle perspective."

Actuellement, les combinaisons d'unités de don et d'acceptation sont principalement utilisées parce qu'elles offrent un moyen relativement simple de déplacer les électrons dans une molécule et d'obtenir les conditions nécessaires pour TADF.

Bien que la méthode soit efficace et qu'une grande variété de combinaisons soit possible, de nouvelles stratégies sont toujours souhaitées dans la recherche d'émetteurs parfaits ou uniques.

Le mécanisme exploré par les chercheurs implique cette fois le transfert réversible d'un atome d'hydrogène - techniquement, juste son noyau positif - d'un atome dans la molécule émettrice à un autre dans la même molécule pour créer un arrangement propice au TADF.

Ce transfert se produit spontanément lorsque la molécule est excitée avec de l'énergie optique ou électrique et est connu sous le nom de transfert de proton intramoléculaire à l'état excité (ESIPT).

Ce processus ESIPT est si important dans les molécules étudiées que les calculs de chimie quantique des chercheurs indiquent que le TADF n'est pas possible avant le transfert de l'hydrogène.

Après excitation, l'hydrogène se transfère rapidement à un atome différent dans la molécule, conduisant à une structure moléculaire capable de TADF.

L'hydrogène retourne à son atome initial après que la molécule a émis de la lumière, et la molécule est alors prête à répéter le processus.

Bien que le TADF d'une molécule ESIPT ait été rapporté précédemment, il s'agit de la première démonstration de TADF hautement efficace observée à l'intérieur et à l'extérieur d'un appareil.

Cette stratégie de conception très différente ouvre la porte à la réalisation de TADF avec une variété de nouvelles structures chimiques qui n'auraient pas été envisagées sur la base des stratégies précédentes.

De façon intéressante, la molécule utilisée par les chercheurs a probablement été une déception lorsqu'elle a été synthétisée pour la première fois il y a près de 20 ans par des chimistes dans l'espoir de créer un nouveau pigment pour découvrir que la molécule est incolore.

"Les molécules organiques ne cessent de m'étonner, " dit le professeur Chihaya Adachi, Directeur d'OPERA. « De nombreux chemins avec des avantages et des inconvénients différents existent pour atteindre le même objectif, et nous n'avons encore fait qu'effleurer la surface de ce qui est possible."

Les avantages de cette stratégie de conception commencent tout juste à être explorés, mais un domaine particulièrement prometteur est celui de la stabilité.

Des molécules similaires à celle étudiée sont connues pour être très résistantes à la dégradation, les chercheurs espèrent donc que ces types de molécules pourraient contribuer à améliorer la durée de vie des OLED.

Pour voir si c'est le cas, des tests sont maintenant en cours.

Alors que seul le temps nous dira jusqu'où ira cette stratégie particulière, les options sans cesse croissantes pour les émetteurs OLED sont certainement de bon augure pour leur avenir.