Elaboration des premières OLEDs émettrices de lumière circulairement polarisée

Publié par Redbran le 16/11/2020 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
Le CEA, associé à l'ENS Paris-Saclay, et les Universités de Rennes et de San José (USA), a développé de nouvelles molécules émettrices de lumière pour la réalisation de diodes électroluminescentes organiques (OLEDs). Les molécules ont été conçues afin de réduire la consommation électrique et d'améliorer l'intensité lumineuse émise par les diodes.

Dans cette toute première étude, une étape de modélisation a permis de mieux comprendre les phénomènes mis en jeux et de calculer ab initio les caractéristiques optiques, afin de sélectionner et orienter la conception de nouvelles molécules avec une structure originale. L'émission lumineuse obtenue étant circulairement polarisée, ce type de composant pourrait avoir un avenir prometteur dans les technologies d'affichage (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du foyer)sur un support destiné à son émission, externe ou interne, ce qui en fait un média à part entière sans contexte...).

Pour être regardé confortablement, les écrans doivent être à la fois lumineux et antireflets. La source lumineuse de chaque pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie...) doit donc être intense et si possible polarisée, pour permettre un traitement antireflet sans perte d'intensité lumineuse ni dégradation de la qualité de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) émise. C'est avec ces objectifs que les diodes électroluminescentes organiques (Organic Light-Emitting Diode - OLED) font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) de nombreuses recherches pour améliorer et étendre leurs applications dans les secteurs de l'éclairage ou de l'affichage.


A gauche: empilement typique de couches minces pour la réalisation d'une diode électroluminescente organique (OLED).
A droite: OLEDS réalisées sur un wafer de 8 pouces et test d'un des composants. L'émission lumineuse est polarisée circulairement (CP-OLED).

La présente étude montre que des OLEDs utilisant des composés organiques à fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à caractériser un matériau.) retardée par activation (Activation peut faire référence à :) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) (molécules CP-TADF) peuvent être réalisées. Elles allient efficacité énergétique (En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou efficacité thermodynamique) est un nombre sans dimension, qui est...) et émission de lumière circulairement polarisée, permettant de s'affranchir de filtres antireflets.

Ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) ont été conçus à partir d'une démarche conjointe théorie-expérience, en plusieurs étapes, de la conception de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) jusqu'aux premières CP-OLEDs (Circularly Polarised - Organic Light-Emitting Diode) avec le soutien du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le...) ANR iChiraLight. Du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de leur fonctionnement, lorsque le dispositif est soumis à une tension (La tension est une force d'extension.) électrique, des excitons (paire électrons-trous) sont formés avec une distribution statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique à un ensemble de...) tel que 25% sont dans un état singulet (S1) et 75% dans un état triplet (T1). Porté dans un de ces états excités, l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) subit différents mécanismes de désexcitation pour revenir à l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) (S0): à partir de S1 la désexcitation radiative de fait par fluorescence, phénomène rapide et intense, mais le rendement quantique de cette voie est limité à 25 %. L'émission à partir de T1 est de nature phosphorescente et donc beaucoup plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.). L'idée principale des molécules développées est alors d'accroitre le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de désexcitations à partir de l'état S1 par un mécanisme de transfert depuis l'état triplet T1 vers l'état singulet S1. On parle alors de "fluorescence retardée" qui peut être réalisée par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) (TADF pour Thermally Activated Delayed Fluorescence). Pour ceci, le gap d'énergie (ΔESing-Trip) entre les états S1 et T1 doit être suffisamment faible, et l'on cherche ainsi à concevoir des molécules où ce transfert T1→ S1 est optimisé.

Pour obtenir des CP-OLEDs, des molécules chirales luminescentes ont été ainsi conçues. Soumises à une excitation lumineuse ou électrique, elles sont avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) capables d'émettre une lumière circulairement polarisée. Les émetteurs développés sont ainsi constitués d'unités donneur et accepteur d'électrons séparées par un espaceur permettant d'obtenir un écart d'énergie entre états singulet et triplet ΔESing-Trip inférieur à 0.1-0.2 eV, nécessaire pour un transfert efficace, permettant d'approcher un rendement quantique d'émission lumineuse approchant les 100%.

Le travail de modélisation ainsi réalisé au NIMBE a eu pour objectif de mieux comprendre le mécanisme de transfert d'excitation et comment ces nouveaux assemblages moléculaires permettent d'atteindre les faibles valeurs de ΔESing-Trip recherchées.


Les différentes structures moléculaires et isomères explorées: un coeur phthalonitrile (C6H4(CN)2, en vert) est entouré d'une fonction chirale (BINOL, dérivé d'un dimère de naphtalène (Le naphtalène ou naphtaline ou camphre de goudron est un hydrocarbure aromatique à deux cycles, de formule C10H8 (voir schéma ci-contre). Son odeur caractéristique est perçue par l'odorat humain à partir de...), en gris) et d'un ou plusieurs groupements carbazole (Le carbazole est un composé aromatique hétérocyclique issu de l'extraction du goudron et principalement utilisé pour la synthèse de pigments.) (C12H9N, en rouge) diversement substitués, avec plusieurs positions possibles par rapport au cycle central (en vert). La structure C' permet d'optimiser le rendement quantique de l'émission lumineuse, par transfert quasi-résonant d'excitation d'un état triplet T1 vers un état singulet S1, se désexcitant par fluorescence rapide vers l'état fondamental S0.

La modélisation est de type chimie quantique (La chimie quantique est l'application de la mécanique quantique aux problèmes de la chimie.), basée sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent...) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence...). Elle a montré toute son efficacité pour, non seulement évaluer ΔESing-Trip, mais aussi pour connaitre et maitriser l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) des interactions permettant de contrôler ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.), ainsi que pour évaluer les propriétés optiques associées. La principale difficulté pour obtenir des valeurs quantitatives fiables réside dans le calcul de l'énergie de l'état triplet, d'autant plus que les états singulets et triplets peuvent être fortement couplés par interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) spin-orbite. Diverses géométries de la molécule, avec différentes orientations de la fonction chirale et l'ajout d'un ou plusieurs groupement carbazole diversement substitués ont été ainsi explorées (voir figure 2), par un ensemble de calculs de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) théorique. Les molécules ainsi proposées ont pu être synthétisées et les premières mesures optiques effectuées.

Cet ensemble de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) a permis d'établir des relations structure-propriétés mettant en avant les paramètres structuraux importants pour l'obtention des meilleures propriétés optiques. Ce travail montre bien toute l'utilité d'une étape de modélisation pour guider la conception de nouvelles molécules à propriétés optiques contrôlées. Il n'en est qu'à ses débuts, et se poursuit, pour la partie modélisation, avec la mise en oeuvre de nouvelles méthodes théoriques plus précises, qui permettront de calculer l'ensemble des propriétés optiques nécessaires et d'explorer ainsi encore plus largement de nouvelles familles de molécules avant synthèse.

Référence:
"Maximizing chiral perturbation on thermally activated delayed fluorescence emitters and elaboration of the first top‐emission circularly polarized OLED",
Frédéric, L., Desmarchelier, A., Plais, R., Lavnevich, L., Muller, G., Villafuerte, C., Clavier, G., Quesnel, E., Racine, B., Meunier‐Della‐Gatta, S., Dognon, J.‐P., Thuéry, P., Crassous, J., Favereau, L., Pieters, G., Adv. Funct. Mater. 2020, 2004838.
Contact chimie théorique CEA-IRAMIS: Jean-Pierre Dognon (NIMBE/LSDRM).

Collaboration:
- SCBM, Service de Chimie Bioorganique et de Marquage, DMTS, CEA-INRAE, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Paris‐Saclay, Gif‐sur‐Yvette, F‐91191 France,
- Department of Chemistry, San Jose State University, One Washington Square, San José, CA, 95192‐0101 USA,
- PPSM, ENS Paris‐Saclay - CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Université Paris‐Saclay, 94235 France,
- LETI, Campus (Un campus (du mot latin désignant un champ) désigne l'espace rassemblant les bâtiments et l'infrastructure d'une université ou d'une...) MINATEC, CEA, Université Grenoble‐Alpes, 17 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure les différents...) des Martyrs, Grenoble, 38054 France,
- Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) - NIMBE, UMR 3685 CEA- CNRS, Université Paris‐Saclay, Gif‐sur‐Yvette, 91191 France,
- ISCR - UMR 622, CNRS - Université de Renne (Le renne ou caribou (Rangifer tarandus) est un cervidé des régions arctiques et subarctiques de l'Europe, de l'Asie et de l'Amérique du Nord. Plusieurs milliers de rennes ont été également...)s, Rennes, 35042 France.
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