Les affichages visuels électroniques ont parcouru un long chemin depuis les premiers jours des tubes à rayons cathodiques. Les dispositifs d'affichage modernes, basés sur des diodes électroluminescentes organiques (OLED), sont suffisamment compacts pour nous accompagner partout où nous allons, dans des appareils portables tels que les smartphones et les smartwatches. Pourtant, il est nécessaire d'améliorer encore les performances des écrans basés sur OLED, en particulier en ce qui concerne l'efficacité énergétique et la pureté des couleurs, qui ont toutes deux un impact direct sur la consommation d'énergie. Récemment, une équipe de chercheurs des deux instituts de l'Académie polonaise des sciences (PAS), de l'Institut de chimie physique PAS et de l'Institut de chimie organique PAS, et de l'Université de technologie de Silésie a proposé une série de nouveaux composés chimiques pour servir de émetteurs d'OLED, nous rapprochant un peu plus vers des technologies robustes et durables dans l'électronique portable.

Les affichages visuels électroniques sont omniprésents dans notre vie quotidienne, à tel point que cela aurait été inimaginable il y a encore quelques décennies. Jusqu'au début des années 2010, la plupart des appareils portables utilisaient des écrans à cristaux liquides (LCD), qui sont fondamentalement limités par le fait qu'ils ne produisent pas de lumière par eux-mêmes, mais filtrent plutôt la lumière émise par un rétroéclairage. En conséquence, les écrans LCD sont relativement volumineux et ont tendance à souffrir d'un faible contraste entre la lumière et l'obscurité. D'autre part, les écrans basés sur OLED émettent de la lumière par eux-mêmes, sans avoir besoin d'un rétroéclairage. Par conséquent, ils peuvent être plus fins et plus légers et obtenir un contraste plus élevé que les écrans LCD.

Le composant électroluminescent d'une OLED est une couche semi-conductrice organique prise en sandwich entre deux électrodes dont l'une est transparente pour laisser passer la lumière. La couleur de la lumière émise dépend de la composition de la couche semi-conductrice - différents composés émetteurs donnent lieu à différentes couleurs. Actuellement, les composés émetteurs couramment utilisés comprennent les composés hétéroaromatiques et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui donnent lieu à une émission brillante, mais au prix d'une faible pureté de couleur. De plus, nombre de ces composés souffrent d'une mauvaise stabilité chimique et thermique, ce qui complique considérablement le traitement et contribue au coût élevé de fabrication. Par conséquent, il reste encore beaucoup à faire pour améliorer la conception des composés émetteurs.

Face à ces défis, des scientifiques de trois instituts de recherche de premier plan en Pologne se sont associés pour proposer de nouvelles molécules à appliquer en tant qu'émetteurs OLED. Leur consortium de recherche a été lancé par le Dr Marcin Lindner de l'Institut de chimie organique de l'Académie polonaise des sciences. Ce projet a été lancé lorsqu'il a conçu une série de nouveaux émetteurs potentiels basés sur des fragments aromatiques donneurs et accepteurs d'électrons reliés par un cycle antiaromatique à sept chaînons. L'inspiration pour cette conception a été fournie par l'observation que de nombreux émetteurs existants présentent une liaison directe entre les fragments donneur et accepteur, mais cet agencement apporte certains avantages. Et si les fragments donneur et accepteur étaient plutôt reliés par un anneau antiaromatique ? Un autre aspect innovant de la conception du Dr Lindner est le choix du groupe donneur d'électrons :une fraction PAH dopée à l'azote (ou dopée N). Le dopage à l'azote amène le squelette moléculaire à adopter une géométrie légèrement concave en forme de bol, ce qui aide à réduire les interactions d'empilement indésirables dans la phase condensée.

Le Dr Lindner dit que "la conception de base de nos HAP dopés au N s'est avérée assez flexible, et leurs propriétés sont très sensibles au choix du groupe accepteur d'électrons. Par exemple, nous pouvons régler le mécanisme d'émission entre activé thermiquement fluorescence retardée (TADF) et phosphorescence à température ambiante (RTP). Cela nous donne un degré élevé de contrôle sur le profil d'émission."

Après la synthèse des HAP dopés au N par le groupe de recherche du Dr Lindner, leurs propriétés optiques et électroniques ont été minutieusement caractérisées par le prof. Przemysław Data, un spectroscopiste de l'Université de technologie de Silésie. Notamment, le prof. Le groupe de recherche de Data a enregistré les spectres d'émission des HAP dopés au N dans divers ensembles de conditions et a mesuré les niveaux d'énergie des orbitales moléculaires.

De plus, le prof. Le groupe de Data a fabriqué des prototypes d'OLED qui incorporaient les nouveaux composés et mesuraient leurs efficacités quantiques externes (EQE). De manière gratifiante, il a été constaté que les HAP dopés au N les plus performants atteignaient un EQE de 12 %, supérieur aux émetteurs donneurs-accepteurs existants d'un type similaire.

Le travail expérimental a été complété par des calculs de chimie quantique par l'équipe dirigée par le Dr Adam Kubas, chimiste théoricien de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences. Le Dr Kubas et son groupe ont effectué des simulations informatiques de pointe des structures et des propriétés des HAP dopés au N. Leurs simulations ont fourni des informations qui auraient été inaccessibles à l'expérimentation seule.

"En termes de structure électronique, les HAP dopés au N sont assez exotiques. La présence du cycle à sept chaînons entre les fragments donneur et accepteur découple partiellement, mais pas complètement, les deux. Par conséquent, ces composés présentent un singulet petit mais positif. -des écarts d'énergie triplet, ce qui facilite l'émission par TADF", explique Michał Kochman, chercheur postdoctoral dans le groupe du Dr Kubas.

Les résultats complets de cette étude ont été publiés dans Angewandte Chemie . Cependant, l'histoire ne s'arrête pas là :le consortium de recherche poursuit ses efforts pour développer des émetteurs améliorés pour les écrans OLED économes en énergie. L'équipe pense que nous entendrons bientôt parler de la deuxième génération de HAP dopés au N avec des caractéristiques encore meilleures. La principale raison de ces progrès rapides est l'implication de spécialistes de plusieurs domaines différents qui apportent des compétences et une expertise diverses.

Le Dr Kubas est d'accord :« Une science de haute qualité a besoin d'une attitude interdisciplinaire. Dans notre projet de recherche, l'étroite coopération entre les chimistes expérimentateurs et les théoriciens a créé de nouveaux matériaux prometteurs avec d'excellentes propriétés optoélectroniques. Surtout, nous avons pu démontrer un tout nouveau paradigme pour la conception de HAP fortement émetteurs dopés N." + Explorer plus loin

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