Même si le prix Nobel de physique 2014 a consacré les diodes électroluminescentes (DEL) comme la solution d'éclairage écoénergétique la plus importante et la plus perturbatrice d'aujourd'hui, les scientifiques du monde entier continuent sans relâche à rechercher les meilleures ampoules de demain.

Entrez dans l'électronique au carbone.

Electronique à base de carbone, notamment les nanotubes de carbone (CNT), émergent comme successeurs du silicium pour la fabrication de matériaux semi-conducteurs. Et ils peuvent permettre à une nouvelle génération de plus lumineux, batterie faible, des dispositifs d'éclairage à faible coût qui pourraient défier la domination des diodes électroluminescentes (DEL) à l'avenir et aider à répondre à la demande toujours croissante de la société pour des ampoules plus vertes.

Des scientifiques de l'université de Tohoku au Japon ont développé un nouveau type de source lumineuse plate économe en énergie à base de nanotubes de carbone avec une très faible consommation d'énergie d'environ 0,1 watt par heure de fonctionnement, soit environ cent fois inférieure à celle d'une LED.

Dans la revue Examen des instruments scientifiques , des éditions AIP, les chercheurs détaillent la fabrication et l'optimisation du dispositif, qui est basé sur un écran phosphorescent et des nanotubes de carbone à paroi simple comme électrodes dans une structure de diode. Vous pouvez le considérer comme un champ de filaments de tungstène rétréci à des proportions microscopiques.

Ils ont assemblé le dispositif à partir d'un mélange liquide contenant des nanotubes de carbone à paroi unique hautement cristallins dispersés dans un solvant organique mélangé à un produit chimique de type savon connu sous le nom de tensioactif. Puis, ils ont "peint" le mélange sur l'électrode positive ou la cathode, et a gratté la surface avec du papier de verre pour former un panneau léger capable de produire un grand, courant d'émission stable et homogène avec une faible consommation d'énergie.

"Notre simple panneau 'diode' pourrait obtenir une efficacité de luminosité élevée de 60 lumens par watt, qui recèle un excellent potentiel pour un dispositif d'éclairage à faible consommation électrique, " a déclaré Norihiro Shimoi, le chercheur principal et professeur agrégé d'études environnementales à l'Université de Tohoku.

L'efficacité de la luminosité indique aux gens la quantité de lumière produite par une source d'éclairage lorsqu'ils consomment une unité de puissance électrique, qui est un indice important pour comparer l'efficacité énergétique de différents dispositifs d'éclairage, dit Shimoi. Par exemple, Les LED peuvent produire 100s Lumen par Watt et les OLED (LED organiques) environ 40.

Bien que l'appareil ait une structure semblable à une diode, son système électroluminescent n'est pas basé sur un système à diodes, qui sont constitués de couches de semi-conducteurs, matériaux qui agissent comme un croisement entre un conducteur et un isolant, dont les propriétés électriques peuvent être contrôlées par l'ajout d'impuretés appelées dopants.

Les nouveaux appareils ont des systèmes de luminescence qui fonctionnent plus comme des tubes à rayons cathodiques, avec des nanotubes de carbone faisant office de cathodes, et un écran luminophore dans une cavité sous vide faisant office d'anode. Sous un fort champ électrique, la cathode émet serré, des faisceaux d'électrons à grande vitesse à travers ses pointes acérées de nanotubes, un phénomène appelé émission de champ. Les électrons volent alors à travers le vide dans la cavité, et frapper l'écran phosphorescent en rougeoyant.

"Nous avons constaté qu'une cathode avec des nanotubes de carbone à paroi unique hautement cristallins et une anode avec l'écran phosphorescent amélioré dans notre structure de diode n'obtenaient aucun courant d'émission de champ de scintillement et une bonne homogénéité de luminosité, " dit Shimoi.

Les sources d'électrons à émission de champ attirent l'attention des scientifiques en raison de leur capacité à fournir des faisceaux d'électrons intenses environ mille fois plus denses que la cathode thermoionique conventionnelle (comme les filaments d'une ampoule à incandescence). Cela signifie que les sources d'émission de champ nécessitent beaucoup moins d'énergie pour fonctionner et produisent un flux d'électrons beaucoup plus directionnel et facilement contrôlable.

Dans les années récentes, les nanotubes de carbone sont apparus comme un matériau prometteur d'émetteurs de champs électroniques, en raison de leur forme d'aiguille à l'échelle nanométrique et de leurs propriétés extraordinaires de stabilité chimique, conductivité thermique et résistance mécanique.

Les nanotubes de carbone à paroi unique hautement cristallins (HCSWCNT) ont presque zéro défaut dans le réseau de carbone à la surface, Shimoi a expliqué. "La résistance de l'électrode cathodique avec un nanotube de carbone à paroi unique hautement cristallin est très faible. Ainsi, le nouveau dispositif à écran plat a une perte d'énergie plus faible par rapport aux autres dispositifs d'éclairage actuels, qui peut être utilisé pour fabriquer des cathodes économes en énergie et à faible consommation d'énergie."

"De nombreux chercheurs ont tenté de construire des sources lumineuses avec des nanotubes de carbone comme émetteur de champ, " dit Shimoi. " Mais personne n'a développé un dispositif d'éclairage équivalent et plus simple. "

Considérant l'étape majeure de la fabrication du dispositif - le processus de revêtement humide est un processus peu coûteux mais stable pour fabriquer des films de grande surface et uniformément minces, le dispositif d'émission à plan plat a le potentiel de fournir une nouvelle approche de l'éclairage dans le mode de vie des gens et de réduire les émissions de dioxyde de carbone sur la terre, dit Shimoi.