Photographie de l'écusson de Polytechnique Montréal prise en éclairage visible et infrarouge. Crédit :Pr Sébastien Kéna-Cohen
Vous ne pouvez pas le voir à l'œil nu, mais une nouvelle diode électroluminescente organique fluorescente (OLED) pourrait mettre en lumière le développement d'applications innovantes dans des appareils tels que les écrans de smartphone et de télévision utilisant la lumière proche infrarouge. Créé grâce au travail combiné d'ingénieurs de Polytechnique Montréal et de chimistes de l'Université de Montréal, cette OLED fluorescente est 300% plus performante que les OLED existantes dans sa catégorie. L'équipe de recherche a récemment publié des détails dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .
Contrairement aux diodes électroluminescentes (LED) conventionnelles - qui génèrent des photons à l'aide de cristaux semi-conducteurs parfaitement assemblés - les OLED émettent de la lumière grâce à l'utilisation de molécules organiques composées de carbone, azote, et de l'oxygène. Déjà utilisé dans les écrans de smartphones et les téléviseurs haut de gamme, La technologie OLED est déjà bien établie. Pourtant, malgré l'adoption par l'industrie, des défis importants doivent encore être surmontés pour faire avancer cette technologie.
Sur un tel exemple est que les OLED bleus sont confrontés à des problèmes de stabilité, ce qui conduit à une dégradation beaucoup plus rapide que leurs homologues verts et rouges. De l'autre côté du spectre, Les OLED infrarouges ont tendance à être très inefficaces - au lieu d'émettre des photons à des longueurs d'onde infrarouges (créant ainsi de la lumière), les molécules excitées préfèrent perdre leur énergie par vibration.
"Comme la longueur d'onde d'émission est poussée plus loin dans ce qui est considéré comme l'infrarouge, il devient plus difficile de développer des émetteurs efficaces, explique le professeur Stéphane Kéna-Cohen du Département de génie physique de Polytechnique Montréal. "Très peu de matières organiques émettent efficacement dans cette région (infrarouge) du spectre."
Le professeur Kéna-Cohen et son équipe ont réussi à trouver un moyen de réduire le gaspillage d'énergie dans les OLED infrarouges composées de molécules purement organiques. Professeur de chimie William G. Skene (Université de Montréal), développé deux nouveaux composés organiques pour créer ce nouvel OLED. L'émetteur proche infrarouge s'inspire d'une classe de molécules précédemment utilisées pour l'imagerie biomédicale, qui permet désormais de concevoir un OLED tout organique aux propriétés inégalées.
Lumière des triplés "sombres"
Lorsqu'une molécule organique est excitée par un courant électrique, il se trouve dans l'un des deux états quantiques :un singulet ou un triplet. Pour la plupart des molécules organiques, seul l'état singulet produira une lumière utilisable. Pour que les triplets génèrent efficacement des photons, des atomes de métaux lourds doivent être introduits dans la structure moléculaire, augmenter le coût de production des OLED.
Le doctorant en Génie Physique et coauteur Alexandre Malinge tient un substrat de verre contenant 6 grandes OLED infrarouges, chacun 1,5 mm par côté. Crédit :Orlando Ortiz
Professeur Kéna-Cohen, Professeur Skene, et leur équipe a trouvé un moyen d'exploiter l'énergie triplet sans compter sur les atomes métalliques. Leur solution innovante ? Ils ont conçu une molécule organique où les états singulet et triplet ont des niveaux d'énergie très similaires, permettant aux triplets d'être transformés en singlets émissifs par un processus appelé fluorescence retardée activée thermiquement (TDAF).
Avec son pic d'émission à une longueur d'onde de 840 nm, l'OLED conçu par l'équipe de recherche a montré une efficacité quantique de 3,8%. Ce dernier correspond au pourcentage d'électrons circulant dans tout le dispositif, électrons qui sont ensuite convertis en lumière utilisable. Il s'agit d'un nouveau record mondial d'OLED 100 % organiques émettant au-dessus de 800 nm - dépassant de plus de 300 % l'efficacité des meilleures OLED fluorescentes - et atteignant des valeurs comparables à celles des OLED contenant des molécules à base de platine.
De nouvelles possibilités dans les applications biomédicales, la reconnaissance faciale
L'efficacité exceptionnelle du nouvel OLED permet d'envisager enfin l'intégration des OLED infrarouges dans les technologies d'affichage existantes, telles que les smartphones.
"Une caractéristique distinctive des OLED est la possibilité de fabriquer des appareils directement sur du verre ou du plastique, et sur de grandes surfaces, contrairement aux LED conventionnelles. Cela permet aux OLED d'être utilisées dans des applications qui seraient autrement impossibles pour les LED, " explique le professeur Kéna-Cohen.
"L'un des plus grands avantages des OLED est leur faible coût de fabrication, " poursuit le professeur Kéna-Cohen. " Cependant, la plupart des OLED contiennent encore des métaux chers comme le platine ou l'iridium, ce qui est problématique en termes de coût et de durabilité. Notre appareil utilise des molécules purement organiques."
Le professeur de Polytechnique Montréal a également noté que l'absence d'émission de lumière visible des OLED infrarouges créées par son équipe de recherche permettrait également leur utilisation dans la communication sans fil basée sur la lumière (Li-Fi). Le professeur Kéna-Cohen souligne également que ces OLED record du monde pourraient potentiellement être utilisées pour des applications biomédicales, pour la reconnaissance faciale, ou pour la photographie de nuit.
"Les iPhones utilisent déjà des lasers infrarouges pour certaines fonctions de reconnaissance faciale et de mise au point automatique. Ce sont les types d'applications où les OLED infrarouges pourraient être utiles, " note le professeur Kéna-Cohen.
