Diodes électroluminescentes, ou LED, sont presque omniprésents dans la vie moderne, fournir la luminosité dans les écrans de téléphone, téléviseurs, et lumières. Une nouvelle forme de LED, fait d'une classe de matériaux appelés pérovskites aux halogénures, promet une qualité de couleur et une facilité de fabrication supérieures, mais a été connu pour échouer lorsqu'il est soumis au type de courant électrique généralement nécessaire pour des utilisations pratiques. Maintenant, Barry Rand, professeur agrégé de génie électrique et du Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement, et une équipe de chercheurs ont considérablement amélioré la stabilité et les performances du matériau en gérant mieux la chaleur générée par les LED.

La recherche, Publié dans Matériaux avancés , identifie plusieurs techniques permettant de réduire l'accumulation de chaleur au sein du matériau, qui a décuplé sa durée de vie. Lorsque les chercheurs ont empêché l'appareil de surchauffer, ils ont pu y injecter suffisamment de courant pour produire une lumière des centaines de fois plus intense qu'un écran de téléphone portable typique. L'intensité, mesuré en watts par mètre carré, reflète la quantité réelle de lumière provenant d'un appareil, non influencé par les yeux humains ou la couleur de la lumière. Précédemment, un tel niveau de courant aurait provoqué la défaillance de la LED.

L'avancée établit un nouveau record de luminosité et étend les limites de ce qui est possible pour le matériau en améliorant les propriétés bien établies des LED à pérovskite et en permettant à ces caractéristiques d'être exploitées de manière pratique.

« C'est la première fois que nous montrons que la chaleur apparaît comme le principal goulot d'étranglement pour ces matériaux fonctionnant à des courants élevés, " a déclaré Rand. " Cela signifie que le matériau pourrait être utilisé pour des lumières vives et des écrans, ce qui n'a jamais été pensé possible."

Rand, qui est également directeur associé des partenariats externes au Centre Andlinger, a déclaré que des voies claires sont désormais ouvertes pour un développement ultérieur, mais a averti que la technologie est encore dans 10 à 20 ans d'une utilisation commerciale à grande échelle.

Pour contenir l'accumulation de chaleur Joule dans l'appareil, ou le type de chaleur qui résulte du courant électrique, les chercheurs ont abordé méthodiquement les éléments clés. Ils ont conçu la composition du matériau dans l'appareil pour le rendre plus conducteur électriquement et, donc, générer moins de chaleur pendant le fonctionnement. Ils ont rendu les appareils plus étroits que d'habitude, environ un dixième aussi fin qu'un cheveu humain, pour permettre une meilleure diffusion de la chaleur. Et, ils ont ajouté des dissipateurs de chaleur, ou des composants qui conduisent la chaleur loin des composants électriques sensibles, ce qui a aidé à disperser la chaleur.

Une fois ces éléments clés en place, ils ont utilisé une tactique pour continuellement "pulser" l'appareil, ou l'allumer et l'éteindre rapidement, si vite qu'un œil humain ne pouvait pas voir le scintillement, mais suffisamment de temps pour que l'appareil récupère et refroidisse. Pour cette partie du travail, ils ont mis à profit l'expertise de la coauteur Claire Gmachl, le professeur Eugene Higgins de génie électrique. En réduisant la durée pendant laquelle l'appareil était réellement allumé, les chercheurs ont obtenu des améliorations d'efficacité, et ont pu faire fonctionner l'appareil plus longtemps que jamais. Rand décrit le travail comme un guide « comment faire » pour faire fonctionner les LED à pérovskite aux densités de puissance élevées requises pour l'éclairage et les écrans lumineux.

Lianfeng Zhao, premier auteur de l'article et chercheur associé postdoctoral au Département de génie électrique, a déclaré que la recherche va à l'encontre de la pensée dominante dans le domaine selon laquelle les pérovskites ne pourraient intrinsèquement pas fonctionner efficacement à des densités de puissance élevées.

Le travail est une "percée importante" pour le domaine, dit Feng Gao, professeur au Département de physique, Chimie et Biologie à l'Université de Linköping en Suède, et un expert en semi-conducteurs organiques et pérovskites pour les technologies énergétiques.

"La réduction de l'échauffement Joule est un défi important pour les LED pérovskites vers une luminosité élevée et une stabilité à long terme, " a déclaré Gao. " Les résultats sont vraiment encourageants pour la commercialisation à venir d'éclairage et d'affichages basés sur des matériaux pérovskites. "

Jusqu'à maintenant, les chercheurs pensaient que les LED à pérovskite seraient utiles pour ne produire que des niveaux de luminosité modérés, mais pas pour l'éclairage ou les écrans ultra-lumineux sur les téléphones portables et les écrans d'ordinateurs portables.

« Nous avons élargi le champ des applications possibles, " dit Zhao.

L'une des parties les plus attrayantes des LED pérovskites est la façon dont elles sont fabriquées, ce qui nécessite beaucoup moins d'énergie que la production de LED inorganiques conventionnelles utilisées pour l'éclairage aujourd'hui. Les LED conventionnelles sont constituées d'un morceau d'un seul cristal, ce qui est très difficile et coûteux à produire et nécessite souvent des systèmes à ultravide et des températures de plus de 1000 degrés Celsius. Les matériaux pérovskites sont généralement fabriqués à des températures inférieures à 100 degrés Celsius, et formé à partir de solutions dans un processus similaire à l'impression à jet d'encre. Si la technologie devait être commercialisée, il en résulterait probablement une réduction significative de l'énergie requise et de l'empreinte carbone de ces appareils électroniques, tant dans leur fabrication que dans leur exploitation.

Les LED pérovskites produisent un pur, couleur concentrée, et les chercheurs espèrent également utiliser le matériau pour construire bon marché, lasers faciles à fabriquer. Et plus généralement, Rand et Zhao ont déclaré qu'ils continueraient d'étudier le fonctionnement du matériau pour mieux comprendre ses propriétés afin de produire une qualité supérieure, durable, et des appareils efficaces.

"C'est une étape assez importante, " a déclaré Rand. " Ce n'est pas seulement important pour notre recherche, mais aussi pour les technologues, concepteurs, et l'industrie électronique. Nous pensons qu'il y a un bel avenir pour le matériau."