Une diode laser organique émettant une lumière laser bleue, tel que rapporté par des chercheurs du Centre de recherche en photonique organique et en électronique de l'Université de Kyushu. Crédit :Atula S.D. Sandanayaka
Des chercheurs japonais ont démontré qu'un type de diode laser longtemps insaisissable à base de semi-conducteurs organiques est en effet possible, ouvrant la voie à une nouvelle expansion des lasers dans des applications telles que la biodétection, affiche, santé et communications optiques.
Longtemps considéré comme un Saint Graal dans le domaine des dispositifs électroluminescents, les diodes laser organiques utilisent des matériaux organiques à base de carbone pour émettre de la lumière au lieu des semi-conducteurs inorganiques, tels que l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium, utilisé dans les appareils traditionnels.
Les lasers sont à bien des égards similaires aux diodes électroluminescentes organiques (OLED), dans lequel une fine couche de molécules organiques émet de la lumière lorsque l'électricité est appliquée. Les OLED sont devenus un choix populaire pour les écrans de smartphone en raison de leur haute efficacité et de leurs couleurs éclatantes, qui peut être facilement modifié en concevant de nouvelles molécules organiques.
Les diodes laser organiques produisent une lumière beaucoup plus pure permettant des applications supplémentaires, mais ils nécessitent des courants d'amplitudes supérieures à celles utilisées dans les OLED pour réaliser le processus laser. Ces conditions extrêmes ont provoqué la panne des dispositifs précédemment étudiés bien avant que le laser puisse être observé.
Pour compliquer encore les progrès, les affirmations antérieures d'effets laser générés électriquement à partir de matériaux organiques se sont avérées fausses à plusieurs reprises, d'autres phénomènes étant confondus avec le laser en raison d'une caractérisation insuffisante.
Mais maintenant, des scientifiques du Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) de l'Université de Kyushu rapportent dans le journal Physique Appliquée Express qu'ils disposent de suffisamment de données pour montrer de manière convaincante que les diodes laser à semi-conducteurs organiques ont finalement été réalisées.
"Je pense que beaucoup de gens dans la communauté se doutaient qu'on verrait un jour réellement la réalisation d'une diode laser organique, " dit Atula S.D. Sandanayaka, auteur principal sur le papier, "mais en ralentissant la réduction des diverses limitations de performances avec des matériaux améliorés et de nouvelles structures d'appareils, nous l'avons finalement fait."
Représentation schématique d'une diode laser à semi-conducteur organique produisant une émission laser bleue sous excitation électrique. Crédit :Centre de recherche en photonique organique et électronique, Université de Kyushu
Une étape critique du laser est l'injection d'une grande quantité de courant électrique dans les couches organiques pour atteindre une condition appelée inversion de population. Cependant, la haute résistance à l'électricité de nombreux matériaux organiques rend difficile l'obtention de suffisamment de charges électriques dans les matériaux avant qu'ils ne se réchauffent et ne brûlent.
En plus de ça, une variété de processus de perte inhérents à la plupart des matériaux organiques et des dispositifs fonctionnant sous des courants élevés réduit l'efficacité, pousser le courant nécessaire encore plus haut.
Pour surmonter ces obstacles, le groupe de recherche dirigé par le professeur Chihaya Adachi a utilisé un matériau organique électroluminescent (BSBCz) très efficace avec une résistance à l'électricité relativement faible et une faible quantité de pertes, même lorsqu'il est injecté avec de grandes quantités d'électricité. Mais il ne suffisait pas d'avoir le bon matériel.
Ils ont également conçu une structure de dispositif avec une grille de matériau isolant au-dessus de l'une des électrodes utilisées pour injecter de l'électricité dans les films minces organiques. De telles grilles, appelées structures de rétroaction distribuées, sont connues pour produire les effets optiques requis pour le laser, mais les chercheurs sont allés encore plus loin.
« En optimisant ces grilles, nous avons pu non seulement obtenir les propriétés optiques souhaitées, mais également contrôler le flux d'électricité dans les dispositifs et minimiser la quantité d'électricité requise pour observer l'effet laser du film mince organique, " dit Adachi.
Les chercheurs sont tellement confiants dans la promesse de ces nouveaux appareils qu'ils ont fondé la start-up KOALA Tech Inc.—abréviation de Kyushu Organic Laser Technology Inc.—le 22 mars. 2019, accélérer la recherche et surmonter les derniers obstacles qui subsistent pour l'utilisation des diodes laser organiques dans des applications commerciales.
Les membres fondateurs de KOALA Tech Inc., Pr Chihaya Adachi, Dr Jean-Charles Ribierre, Dr Fatima Bencheikh, et le Dr Takashi Fujihara, sont maintenant à pied d'œuvre pour améliorer les performances de leurs diodes laser organiques pour apporter cette technologie d'émission de lumière organique la plus avancée au monde.
