Dans nos écrans OLED (Organic Light-Emitting Diode), la qualité de la lumière produite est fortement diminuée par les filtres anti reflets qui les équipent (Schéma). En effet, ces filtres empêchent la réflexion de la lumière extérieure (soleil, éclairage public) sur la dalle de l'OLED, mais si le dispositif n'émet pas de lumière circulairement polarisée (voir paragraphe ci-dessous), 50 % de l'intensité lumineuse produite par la diode est perdue.
Schéma du phénomène diminuant le rendement des écrans OLED à cause de leurs filtres antireflet © L. Favereau (CNRS/ Université de Rennes)
En 2016, des travaux dirigés par les chercheurs du SCBM (Feuillastre et al., JACS, 2016) ont permis de développer des matériaux électroluminescents purement organiques (sans métaux rares) qui, par leur conception et leur structure, exploitent trois propriétés améliorant leur rendement « énergie consommée » versus « qualité de la lumière produite » : i) l'émission de fluorescence retardée (ou Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF), qui permet théoriquement de transformer toute l'énergie électrique en lumière ; ii) l'augmentation de l'émission de lumière par agrégation ou comment les luminophores conçus gagnent encore en rendement lorsqu'on augmente leur concentration et qu'on les agence en matériau solide, contrairement aux luminophores classiques qui voient leur rendement chuter à cette étape (Figure 1) ; iii) l'émission de lumière circulairement polarisée (LCP)*, qui traverse les filtres anti-reflet placés sur les écrans sans atténuation de la lumière produite par la dalle OLED, phénomène très rare dans le monde organique.
Figure 1 : Illustration du gain de lumière des nouveaux luminophores lorsqu'ils s'agrègent (de gauche à droite : augmentation de la concentration) © L. Frédéric (SCBM/CEA)
Alors que les fluorophores émetteurs de LCP classiques sont intrinsèquement chiraux (coût de synthèse élevé), le concept de « perturbation chirale » permet de conférer des propriétés chiroptiques à un chromophore actif en lui accolant une unité chirale** disponible commercialement et qui possède déjà la géométrie spatiale recherchée (Figure 2). Dans la présente étude, les chercheurs ont synthétisé une série de luminophores inédits afin de réaliser la première analyse systématique des relations structure/propriétés pour ce type de matériaux organiques et de comprendre les paramètres influant sur l'efficacité de la perturbation chirale et donc sur l'obtention des meilleures propriétés de ces matériaux. Certaines des molécules obtenues ont ensuite été intégrées dans les premières OLEDs émettrices de lumière circulairement polarisée, architecturées de telle sorte qu'elles puissent intégrer les dispositifs d'affichage portatifs haute-résolution.
Figure 2 : Formulation chimique des nouveaux chromophores, intégrant les 3 propriétés permettant d'améliorer le rapport « quantité d'énergie consommée / qualité de la lumière produite » dans les systèmes d'affichage. © G. Pieters (SCBM/CEA)
Optimiser le phénomène de perturbation chirale était indispensable pour que les équipes puissent continuer à travailler à l'amélioration de la qualité de la lumière produite et obtenir un vrai matériau OLED révolutionnaire et exploitable pour l'industrie.
* Lumière Circulairement Polarisée : La polarisation de la lumière s'assimile à l'ordonnancement des photons qui composent le flux lumineux : dans un flux « classique », les photons n'ont pas de mouvement ordonné, contrairement au flux polarisé. « Circulairement polarisé » signifie que les photons suivent la même trajectoire circulaire le long du flux lumineux.
** Chiralité : une même molécule peut avoir différentes configurations spatiales. Comme pour nos mains, certaines molécules ont des configurations possibles miroirs l'une de l'autre : ces molécules sont dites « chirales ». Ces changements de configurations peuvent impacter leurs propriétés physiques ou leur interaction avec le vivant (exemple : médicaments).
Ce travail a fait l'objet d'une actualité du CEA et de la DRF du CEA.
Voir également l'article publié le 04 septembre 2020 sur le site de l'Université Paris-Saclay, rédigé par Lucas Frédéric, premier auteur de l'étude.