(Phys.org)—Actuellement, toutes les diodes électroluminescentes (LED) émettent une lumière d'une seule couleur, qui est prédéfini lors de la fabrication. Jusque là, le réglage de la couleur de la lumière produite par une seule LED n'a jamais été réalisé, malgré de nombreuses tentatives.

Il est donc assez remarquable que dans une nouvelle étude, les scientifiques ont démontré une LED qui peut non seulement être réglée pour émettre différentes couleurs de lumière, mais peut le faire sur presque tout le spectre visible :du bleu (longueur d'onde de 450 nm) au rouge (longueur d'onde de 750 nm)—essentiellement toutes les couleurs sauf les bleus et violets les plus foncés.

La clé pour obtenir la LED à couleur réglable est de la fabriquer à partir de graphène, le même matériau qui a conduit à des recherches révolutionnaires dans un certain nombre de domaines, des batteries aux cellules solaires en passant par les semi-conducteurs. Malgré le succès du graphène dans ces domaines, Les LED à base de graphène n'ont jamais été réalisées auparavant, faisant du nouvel appareil la toute première LED à base de graphène en plus d'être la première LED à couleur réglable.

Les applications de la nouvelle LED incluent la haute qualité, écrans LED réglables en couleur pour téléviseurs et appareils mobiles, appareils d'éclairage LED à couleur réglable, et le potentiel d'une variété de futurs dispositifs photoniques à base de graphène.

Mélanger deux formes de graphène

Les chercheurs, dirigé par le professeur Tian-Ling Ren à l'Université Tsinghua de Pékin, a fabriqué le matériau électroluminescent à partir de l'interface de deux formes différentes de graphène. Ces formes sont l'oxyde de graphène (GO), qui est produit à partir de graphite bon marché, et oxyde de graphène réduit (rGO), qui est une forme plus vierge de GO.

À l'interface du GO et du rGO se trouve un type spécial de GO partiellement réduit qui a optique, physique, et des propriétés chimiques qui se situent quelque part entre celles de GO et rGO. La propriété "mixte" la plus importante de la couche interfaciale est qu'elle a une série de niveaux d'énergie discrets, qui permet finalement l'émission de lumière à de nombreuses énergies différentes, ou couleurs.

L'occurrence de cette propriété est particulièrement intéressante car, par eux-même, ni GO ni rGO (ou toute autre forme connue de graphène, d'ailleurs) peut émettre n'importe quelle lumière. C'est parce qu'aucun des deux matériaux n'a la bonne taille "bandgap, " qui est l'écart entre deux bandes d'énergie que les électrons doivent traverser pour conduire l'électricité ou émettre de la lumière. Alors que GO a une bande interdite extrêmement large, rGO a une bande interdite nulle.

Au lieu d'avoir une bande interdite quelque part entre GO et rGO, le GO interfacial partiellement réduit a en fait de nombreuses bandes interdites intermédiaires différentes en raison de la façon dont le mélange se produit - pas comme une transition en douceur, mais sous la forme de nanoclusters rGO intégrés dans la couche GO. Parce que ces nanoclusters rGO sont réduits à des degrés divers à l'interface, ils présentent des variations dans leurs niveaux d'énergie et, par conséquent, dans la couleur de la lumière émise. Ces niveaux d'énergie peuvent être facilement modulés en changeant la tension appliquée ou par dopage chimique, qui stimule sélectivement une seule couleur de luminescence et permet le réglage de la couleur de la LED.

"Nous avons découvert qu'une combinaison de GO et rGO peut créer un matériau conducteur et à large bande interdite, " a dit Ren Phys.org . "Il est bien connu que le graphène n'a pas de bande interdite. Par conséquent, nous avons tous été surpris que notre interface GO/rGO (un système à base de graphène) puisse en fait être luminescent."

Attentes commerciales

Le fait qu'il s'agisse de la première observation de luminescence dans un système à base de graphène ouvre la voie à l'utilisation du graphène comme source de lumière dans les futurs dispositifs photoniques à base de graphène. Une LED à couleur réglable a également été fortement souhaitée pour les écrans LED et les luminaires de haute qualité. Parce que la couleur change en réponse à certains produits chimiques, les appareils pourraient également avoir des applications de détection.

"À base de graphène, les LED à couleur réglable peuvent permettre la réalisation de technologies d'affichage flexibles pouvant couvrir l'ensemble du spectre visible, " a déclaré Ren. " Les LED conventionnelles n'émettent qu'une longueur d'onde de lumière fixe et les technologies d'affichage nécessitent donc un mélange de rouge, vert, et LED bleues. Si une base de graphène, une LED à couleur réglable est utilisée, un affichage polychrome et flexible peut être réalisé d'une manière simple. Une large gamme d'électronique grand public et médicale peut bénéficier d'une telle technologie."

Dans leur travail, les chercheurs ont conçu, fabriqué, et testé 20 LED à base de graphène. Globalement, les appareils ont démontré une bonne luminosité mais une faible efficacité, qu'ils envisagent d'améliorer. Un autre inconvénient du prototype actuel est une durée de vie d'émission très courte de moins d'une minute environ en conditions ambiantes et d'environ 2 heures sous vide. Les chercheurs attribuent la courte durée de vie à l'oxydation dans l'air et prédisent que les revêtements protecteurs peuvent améliorer ce domaine.

Malgré la marge d'amélioration, les chercheurs s'attendent à ce que les LED à base de graphène aient des perspectives commerciales encourageantes en raison de plusieurs avantages, y compris leur accordabilité précise des couleurs, structure compacte, et fabrication simple.

"L'efficacité de la LED graphène pourrait être encore améliorée, " a déclaré Ren. " Une façon d'y parvenir serait d'utiliser des matériaux [semi-conducteurs] de type n combinés avec du graphène. La courte durée de vie pourrait également être améliorée par un scellage sous vide. La commercialisation peut être attendue dans quelques années car notre méthode est simple et peu coûteuse. Comme pour tout autre développement technologique issu d'un laboratoire, des défis existent; cependant, nous pensons que ces défis peuvent être surmontés dans un proche avenir. Nous pensons qu'à base de graphène, Les LED à couleur réglable sont une technologie prometteuse pour les affichages flexibles."

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