Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont utilisées dans les smartphones et les téléviseurs pour faciliter l'affichage des couleurs à contraste élevé. Les polymères conjugués sont également souvent utilisés comme semi-conducteurs organiques dans de telles diodes. Des chercheurs de l'Université de Bayreuth ont découvert comment la structure spatiale de ces polymères peut être utilisée pour contrôler les couleurs des OLED et aider à augmenter la luminosité des moniteurs. Ils ont maintenant présenté ce mécanisme jusqu'alors inconnu dans la revue scientifique Actes de l'Académie nationale des sciences .

Polymères avec une épine dorsale :les structures spatiales déterminent la couleur de la lumière

Les polymères bien adaptés à une utilisation dans les diodes électroluminescentes organiques jouent un rôle central dans les nouvelles découvertes de la recherche. Grâce à la chaîne formée par la connexion des briques moléculaires, ils possèdent une colonne vertébrale. Si les polymères sont ensuite exposés à un faisceau laser, ils absorbent la lumière et la stockent comme énergie d'excitation. Cette énergie se propage le long de la colonne vertébrale. Peu de temps après, il est libéré par émission de lumière.

Jusqu'à présent, on avait supposé que la couleur de la lumière émise dépendait de l'étendue de la propagation de l'énergie d'excitation le long des polymères :soi-disant, plus les polymères étaient courbés, plus la distance sur laquelle l'énergie s'est propagée est petite. Cependant, les scientifiques de Bayreuth ont maintenant réfuté cette hypothèse. Les polymères qu'ils ont étudiés ont des squelettes chimiquement identiques et courbés à des degrés différents, mais l'énergie d'excitation s'étend toujours sur la même distance. Les polymères courbés émettent de la lumière verte ou bleue, tandis que les polymères allongés émettent une lumière jaune ou rouge. "Lorsque ces polymères seront utilisés dans des diodes électroluminescentes organiques, leurs différentes structures spatiales peuvent être utilisées pour contrôler avec précision la couleur de la lumière émise par les OLED, " a expliqué le physicien Dominic Raithel (M.Sc.), auteur principal de l'article qui vient d'être publié dans PNAS .

Les chercheurs de Bayreuth ont également découvert que les polymères allongés possèdent un échafaudage formé par ses chaînes latérales, qui stabilise la structure allongée. « Cela se traduit par un avantage particulier pour les diodes électroluminescentes :lorsque des polymères allongés sont superposés, les échafaudages assurent la stabilité. L'émission optique n'en est pas affaiblie", dit Raithel, qui a récemment terminé sa thèse dans le groupe de formation à la recherche financé par le DFG de l'Université de Bayreuth "Photophysique des systèmes multichromophores synthétiques et biologiques". Dans ce contexte, les matières organiques naturelles et synthétiques sont étudiées en étroite collaboration interdisciplinaire. Par exemple, les physiciens expérimentateurs Prof. Dr. Anna Köhler et Prof. Dr. Jürgen Köhler ainsi que Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, expert en polymères fonctionnels, ont participé aux nouvelles expériences.

Un jeu transatlantique de théorie et d'expérimentation

Les études expérimentales comparatives des polymères ont utilisé différents types de méthodes de spectroscopie. "Un facteur décisif a été la spectroscopie de molécule unique à très basse température, pour laquelle Bayreuth nous a fourni son infrastructure performante. En utilisant cette méthode, nous avons pu déterminer la couleur de la lumière émise et enfin l'extension de l'énergie d'excitation sur les polymères en chaîne, " a expliqué le Dr Richard Hildner, qui a coordonné la recherche à l'Université de Bayreuth.

Les scientifiques de Bayreuth ont travaillé en étroite collaboration avec un groupe de recherche de l'Université Rice à Houston, Texas. Dr. Lena Simine et Prof. Dr. Peter J. Rossky ont effectué des calculs approfondis sur l'impact des structures polymères sur la couleur de la lumière émise. L'association des méthodes expérimentales et théoriques a permis de mieux comprendre les structures spatiales des chaînes polymères individuelles, ce qui aurait été impossible avec les techniques d'imagerie traditionnelles.