Figure 1 :La structure du matériau de phosphorescence à température ambiante développé (SiAz) et résumé illustratif de ce travail. Crédit :Université d'Osaka
Les écrans à diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont désormais des caractéristiques très populaires de nombreux produits grand public, notamment les smartphones et les téléviseurs. Les OLED ont l'avantage d'être à faible coût, léger, souple, et facile à modifier, ce qui en fait des matériaux d'affichage idéaux. Cependant, Les OLED actuels qui atteignent des efficacités quantiques commercialement viables contiennent des atomes de métaux rares tels que l'iridium et le platine qui augmentent les coûts et réduisent la durabilité. Maintenant, une équipe internationale comprenant des chercheurs de l'Université d'Osaka a signalé l'OLED sans atomes lourds la plus performante de sa catégorie.
Bien que les OLED qui ne contiennent pas d'atomes lourds, tels que les métaux rares et les halogènes, soient un choix évident pour réduire les coûts et améliorer la viabilité à long terme des produits, les émetteurs sans atomes lourds actuellement disponibles ont des limites.
Les matériaux connus sous le nom d'émetteurs de fluorescence retardée activés thermiquement (TADF) sont efficaces; cependant, ils ont généralement de larges spectres d'émission qui les rendent plus adaptés à une utilisation en tant que sources lumineuses qu'en tant qu'émetteurs précis requis pour les applications d'affichage. Les émetteurs à phosphorescence à température ambiante (RTP) sont un autre type d'émetteur sans atomes lourds; cependant, les OLED qui les utilisent affichent de très faibles rendements de <1%, en raison de l'extinction des excitons triplets à longue durée de vie dans le dispositif.
Les chercheurs ont donc fusionné les mécanismes des phénomènes TADF et RTP pour produire un émetteur hybride qui combine les caractéristiques des deux systèmes. Leur matériau TADF/RTP - appelé SiAz - ne contient que du carbone, hydrogène, azote, et des atomes de silicium, qui sont faciles à obtenir des éléments naturellement abondants, rendant SiAz viable pour une utilisation généralisée.
Figure 2 :a) Matériaux RTP conventionnels et b) Matériaux RTP développés ici. Crédit :Université d'Osaka
"Les écarts de niveau d'énergie dans les états excités d'un matériau émetteur déterminent comment les matériaux peuvent se comporter lors de l'excitation et de l'émission qu'ils produisent, ", explique l'auteur correspondant de l'étude, Youhei Takeda. "La combinaison des deux mécanismes signifiait que nous pouvions modifier la façon dont une molécule excitonique subit une transition entre les états de spin et énergétiquement différents pour produire les caractéristiques globales que nous voulions. Spécifiquement, en ajustant les niveaux d'énergie, notre matériau peut utiliser un système de conversion ascendante thermique pour produire du RTP. »
Les chercheurs ont atteint un degré élevé de contrôle sur les niveaux d'énergie grâce à une sélection minutieuse du matériau hôte dans lequel la molécule émettrice a été imprégnée, ce qui a permis une transition thermiquement activée de l'état excité triplet le plus énergétiquement à l'état triplet supérieur des molécules émettrices pour irradier le RTP pur de manière efficace. Le matériau SiAz a été utilisé avec succès dans un dispositif qui a atteint une efficacité quantique externe de 4%, qui est le meilleur rapporté à ce jour pour un OLED sans atomes lourds basé sur RTP.
Figure 3 :Résumé illustratif des processus photophysiques de SiAz dans différentes matrices hôtes. Crédit :Université d'Osaka
"Nous espérons que des efforts supplémentaires pour comprendre les relations structure-propriété de ces systèmes hybrides nous permettront d'identifier des principes de conception clairs à l'avenir, " explique Takeda. " L'application du contrôle que nous avons démontré devrait conduire à la disponibilité généralisée de produits OLED sans atomes lourds et d'agents de bio-imagerie à haute résolution qui soient durables et rentables. "
