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Martin Primeau
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Polytechnique Montréal
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Record du monde pour une diode électroluminescente organique

Photographie du blason de Polytechnique Montréal réalisée à l’aide d’une caméra infrarouge.
24 novembre 2020

Vous ne l’observerez pas à l’œil nu, mais une nouvelle diode électroluminescente organique (DELO, ou OLED, pour organic light-emitting diode en anglais) pourrait déclencher le développement d’applications innovantes basées sur la lumière infrarouge dans des dispositifs comme des écrans de téléphones intelligents ou de téléviseurs. Créée par le travail conjoint d’ingénieurs de Polytechnique Montréal et de chimistes de l’Université de Montréal, elle s’avère au moins 300 % plus efficace que les autres DELO de sa catégorie. L’équipe a récemment publié les détails de sa création dans le journal Advanced Functional Materials.

Au contraire de leurs cousines les diodes électroluminescentes (DEL) qui émettent des photons grâce à des cristaux semi-conducteurs parfaitement assemblés, les DELO, elles, génèrent de la lumière par l’intermédiaire de molécules organiques à base de carbone, d’azote et d’oxygène. Celles-ci ont progressivement pris leur place dans nos vies, illuminant entre autres les écrans de téléviseurs et de téléphones intelligents. Malgré cette adoption par l’industrie, d’importants défis restent toutefois à franchir pour mettre cette technologie de l’avant.

Les DELO bleues, par exemple, font face à des problèmes de stabilité qui entraînent leur dégradation prématurée comparativement à leurs semblables vertes et rouges. De l’autre côté du spectre, les DELO infrarouges tendent à être inefficaces : au lieu d’émettre des photons, les molécules excitées qui les composent dissipent leur énergie par vibration.

« Au fur et à mesure qu’on se rapproche des longueurs d'onde de l'infrarouge, il devient plus difficile de développer des émetteurs efficaces », explique Sébastien Kéna-Cohen, professeur agrégé au Département de génie physique à Polytechnique Montréal. « Très peu de matières organiques émettent efficacement dans cette région du spectre. »

L’équipe du professeur Kéna-Cohen a tout de même trouvé une façon de réduire le gaspillage d’énergie de DELO infrarouges composées exclusivement de molécules organiques. Son collaborateur William G. Skene, professeur de chimie à l’Université de Montréal, a synthétisé deux nouveaux composés organiques expressément pour concevoir une nouvelle DELO infrarouge. L’une de ces molécules, l’émetteur infrarouge, est inspirée d'une classe de molécules utilisées antérieurement en imagerie biomédicale. Elle permet maintenant de concevoir une DELO infrarouge entièrement organique aux propriétés inégalées.

 

Photographies du blason de Polytechnique Montréal réalisées à l’aide d’une caméra conventionnelle et d’une caméra infrarouge. La lumière des nouvelles DELO n’est visible que dans l’infrarouge (image de droite).

Photographies du blason de Polytechnique Montréal réalisées à l’aide d’une caméra conventionnelle et d’une caméra infrarouge. La lumière des nouvelles DELO n’est visible que dans l’infrarouge (image de droite).


La lumière des triplets « sombres »

Lorsqu’une molécule organique est excitée par un courant électrique, elle se retrouve dans l’un de deux états quantiques : singulet ou triplet. Dans la plupart des cas, seuls les états singulets lui permettront d’émettre des photons. Certains états triplets y parviennent aussi, mais requièrent la présence d’un ou de plusieurs métaux lourds à l’intérieur même de la structure de la molécule pour y arriver, augmentant le coût de production de DELO basées sur ces molécules.

L’équipe des professeurs Kéna-Cohen et Skene a trouvé une façon d’exploiter l’énergie de ces triplets sans avoir recours aux métaux lourds. Pour y parvenir, ils ont conçu une molécule organique possédant un état singulet et un état triplet de niveaux énergétiques très similaires. Cette approche fait en sorte que certains triplets se convertissent en singulets et émettent ensuite des photons, un processus connu sous le nom de fluorescence retardée thermo-activée (thermally activated delayed fluorescence ou TADF en anglais).

Avec son sommet d’émission à une longueur d’onde de 840 nm, la DELO conçue par le groupe de recherche a démontré une efficacité quantique de 3,8 %. Ce pourcentage correspond à la proportion d’électrons circulant à travers le dispositif qui sont convertis en lumière. Il constitue un record pour une DELO toute organique émettant à une longueur d’ondes supérieure à 800 nm, dépassant l’efficacité des meilleures DELO fluorescentes par plus de 300 % et atteignant des valeurs comparables à celles des DELO contenant de la platine.

Alexandre Malinge, étudiant au doctorat en génie physique et coauteur de l’article, tient entre ses doigts un substrat de verre comportant 6 diodes électroluminescentes organiques (DELO) de grande taille, chacune faisant 1,5 mm de côté.

Alexandre Malinge, étudiant au doctorat en génie physique et coauteur de l’article, tient entre ses doigts un substrat de verre comportant 6 diodes électroluminescentes organiques (DELO) de grande taille, chacune faisant 1,5 mm de côté.


Du biomédical à la reconnaissance faciale

Grâce à sa grande efficacité, cette nouvelle DELO permet d’envisager l’intégration de DELO infrarouges dans les écrans d’une variété de dispositifs technologiques, notamment dans les téléphones intelligents.

« L’une des particularités des DELO, c’est de permettre la fabrication de dispositifs directement sur du verre ou du plastique, et ce, sur de grandes surfaces, ce qui est impossible avec les DEL conventionnelles », explique Stéphane Kéna-Cohen. « Cela permet d’envisager des applications jusque-là impossibles à imaginer avec des DEL. »

« L’un des plus grands avantages des DELO est leur faible coût de fabrication. Par contre, la plupart contiennent toujours des métaux lourds comme le platine et l’iridium qui sont problématiques à la fois en termes de coût et de pérennité. Notre dispositif utilise uniquement des molécules organiques », ajoute-t-il.

Selon lui, l’absence d’émission de lumière visible par cette DELO infrarouge en permet l’utilisation en communication à haut débit Li-Fi (Light-Fidelity en anglais). Le professeur Kéna-Cohen souligne également l’utilisation potentielle de cette innovation dans des applications biomédicales, en reconnaissance faciale ou en photographie de nuit.

« Les iPhone utilisent déjà des lasers infrarouges pour certaines fonctions de reconnaissance faciale et d’autofocus », souligne-t-il. « C’est dans ce genre d’applications que nos DELO pourraient être utiles. »

Cette recherche a reçu l’appui du programme Samsung Global Research Outreach et du Conseil National de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).

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