De nouvelles diodes organiques (PhOLEDs) pour de la lumière bleue

Une équipe de l'Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS / Université de Rennes 1) en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire de photophysique et photochimie supramoléculaires et macromoléculaires (Cachan), du Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau) et du Laboratoire nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif sur Yvette) vient de synthétiser de nouvelles générations de semi-conducteurs organiques possédant un haut niveau d'énergie de l'état triplet, adapté à leur utilisation dans des OLEDs phosphorescentes (PhOLEDs) émettrices de lumières bleues ou vertes. C'est la première fois que ce type de structures moléculaires est utilisé avec succès dans une PhOLED. Ces résultats sont publiés dans la revue Angew. Chem. Int. Ed.

L'électronique organique (appelée aussi électronique plastique) connaît depuis 20 ans un fantastique développement. Différents dispositifs électroniques (cellules solaires, transistors à effets de champs, diodes électroluminescentes) utilisent des matériaux organiques comme couche active. Le design, la synthèse et l'étude des propriétés de ces semi-conducteurs organiques est une partie importante de cette électronique.


Une diode organique électroluminescente (OLED) est un dispositif émetteur de lumière composé d'un semi-conducteur organique déposé entre deux électrodes. Lors de la mise sous tension du dispositif, des charges positives et négatives sont injectées et migrent dans le semi-conducteur organique jusqu'à leur rencontre. Cette recombinaison forme une paire 'électron/trou' appelée exciton qui va émettre de la lumière après retour à l'état fondamental. La lumière produite par le dispositif est directement liée aux propriétés électroniques du semi-conducteur organique qui le compose.

Les matériaux utilisés dans les OLEDs pour l'émission de lumière sont soit des molécules fluorescentes (émission à partir d'un état singulet (1)), soit phosphorescentes (émission à partir d'un état triplet (2)). L'utilisation de molécules phosphorescentes conduit à des performances d'OLEDs (appelées PhOLED pour "Phosphorescent OLED") beaucoup plus élevées qu'avec des molécules fluorescentes. Cependant, afin d'obtenir des diodes hautes performances, l'utilisation de ces molécules nécessite d'utiliser des matrices hôtes organiques pour éviter des phénomènes de désactivations non radiatifs de la molécule phosphorescente.

Le design moléculaire de matrices hôtes parfaitement adaptées à des dopants phosphorescents bleus est donc aujourd'hui un enjeu majeur, essentiel au développement des PhOLEDs. En effet, un des derniers verrous à lever en électronique organique concerne l'obtention de lumière bleue stable, la durée de vie des OLEDs bleues actuelles (20 × 103 heures) étant encore faible comparée à celle des OLEDs rouges et vertes (250 × 103 et 400 × 103 heures respectivement, source: Universal Display PhOLED, 2011).

Dans ce contexte, une équipe de l'Institut des sciences chimiques de Rennes en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire de photophysique et photochimie supramoléculaires et macromoléculaires (Cachan), du Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau) et du Laboratoire nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif sur Yvette) vient de synthétiser de nouvelles structures moléculaires basées sur des dérivés oligophénylènes pouvant être utilisées comme matrice hôte dans des PhOLEDs vertes et bleues.

Ces nouvelles molécules sont des isomères de position de dérivés terphényles (appelés dihydroindénofluorènes) (Voir Figure) dont il existe très peu d'exemples décrits dans la littérature. D'une manière générale, du fait de leurs structures étendues sur 3 unités phényles, les dérivés dihydroindénofluorènes possèdent un niveau de l'état triplet bas en énergie. Or d'un point de vue photophysique, pour être utilisé dans une PhOLED bleue, la matrice hôte doit posséder un niveau de l'état triplet très haut en énergie (à minima 2.75 eV, supérieur à celui du dopant phosphorescent utilisé). Les chercheurs viennent de montrer que le niveau d'énergie de l'état triplet de dérivés dihydroindénofluorenes pouvait être modulé en fonction de la nature du lien terphényle (para: molécule 1, ortho: molécule 2 et meta: molécule 3).

Leur travail a permis d'aboutir à un dérivé dihydroindénofluorène substitué en position meta possédant un très haut niveau d'énergie de l'état triplet (2.76 eV, molécule 3), le plus haut jamais rapporté pour un dérivé dihydroindénofluorène. Du fait de ce haut niveau d'énergie de l'état triplet, cette molécule a pu être incorporée avec succès dans une PhOLED émettrice de couleur bleue ciel. Bien que les performances de ces OLEDs soient encore loin des meilleures rapportées à ce jour, ces travaux représentent les premiers exemples d'utilisation d'un dérivé dihydroindénofluorene en tant que matrice hôte dans une PhOLED bleue et pourraient ouvrir la voie à l'utilisation de ce type de structures dans les futures PhOLED.

Notes:

(1) Un atome ou une molécule sont dits dans un "état singulet de spin électronique" si tous ses électrons sont appariés.
(2) Un état triplet caractérise un atome ou une molécule ayant deux électrons non appariés de spin parallèle (?? ou ??).

Pour plus d'information voir:
Romain, M.; Thiery, S.; Shirinskaya, A.; Declairieux, C.; Tondelier, D.; Geffroy, B.; Jeannin, O.; Rault-Berthelot, J.; Métivier, R.; Poriel, C.
Ortho-, meta-, and para-Dihydroindenofluorene Derivatives as Host Materials for Phosphorescent OLEDs
Angew. Chem. Int. Ed. 19 janvier 2015, 54, 1176.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201409479/suppinfo