24.06.2022 - Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences

Il n'y a pas que les diamants qui brillent, les hydrocarbures aromatiques polycycliques dopés à l'azote brillent aussi.

Nouvelles molécules destinées à être utilisées comme émetteurs de diodes électroluminescentes organiques (OLED)

Les affichages visuels électroniques ont parcouru un long chemin depuis les premiers jours des tubes cathodiques. Les dispositifs d'affichage modernes, basés sur des diodes électroluminescentes organiques (OLED), sont suffisamment compacts pour nous accompagner partout, dans des appareils portables tels que les smartphones et les smartwatches. Pourtant, il est nécessaire d'améliorer encore les performances des écrans à base d'OLED, notamment en ce qui concerne l'efficacité énergétique et la pureté des couleurs, qui ont toutes deux un impact direct sur la consommation d'énergie. Récemment, une équipe de chercheurs des deux instituts de l'Académie polonaise des sciences (PAS), l'Institut de chimie physique PAS et l'Institut de chimie organique PAS, et de l'Université de technologie de Silésie a proposé une série de nouveaux composés chimiques qui serviront d'émetteurs aux OLED, nous rapprochant ainsi des technologies robustes et durables dans l'électronique portable. Examinons de plus près leur découverte.

Les écrans électroniques sont omniprésents dans notre vie quotidienne, à un point qui aurait été inimaginable il y a encore quelques décennies. Jusqu'au début des années 2010, la plupart des appareils portables utilisaient des écrans à cristaux liquides (LCD), qui sont fondamentalement limités par le fait qu'ils ne produisent pas de lumière propre, mais qu'ils filtrent la lumière émise par un rétroéclairage. Par conséquent, les écrans LCD sont relativement encombrants et ont tendance à présenter un faible contraste entre la lumière et l'obscurité. En revanche, les écrans à base d'OLED émettent de la lumière par eux-mêmes, sans avoir besoin d'un rétroéclairage. Par conséquent, ils peuvent être plus fins et plus légers et offrent un meilleur contraste que les écrans LCD.

Le composant émetteur de lumière d'une OLED est une couche de semi-conducteurs organiques prise en sandwich entre deux électrodes, dont l'une est transparente afin de laisser passer la lumière. La couleur de la lumière émise dépend de la composition de la couche semi-conductrice - différents composés émetteurs donnent lieu à différentes couleurs. Actuellement, les composés émetteurs couramment utilisés comprennent les composés hétéroaromatiques et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui donnent lieu à une émission brillante, mais au prix d'une faible pureté de couleur. En outre, beaucoup de ces composés souffrent d'une mauvaise stabilité chimique et thermique, ce qui complique considérablement le traitement et contribue au coût élevé de la fabrication. Il y a donc encore beaucoup de place pour des améliorations dans la conception des composés émetteurs.

Face à ces défis, des scientifiques de trois grandes institutions de recherche polonaises se sont associés pour proposer de nouvelles molécules destinées à être utilisées comme émetteurs d'OLED. Leur consortium de recherche a été lancé par le Dr Marcin Lindner de l'Institut de chimie organique de l'Académie polonaise des sciences. Ce projet a été mis en route lorsqu'il a conçu une série de nouveaux émetteurs potentiels basés sur des fragments aromatiques donneurs et accepteurs d'électrons reliés par un cycle antiaromatique à sept chaînons. L'inspiration pour cette conception a été fournie par l'observation que de nombreux émetteurs existants présentent une liaison directe entre le donneur et l'accepteur, mais cette disposition présente certains avantages. Et si le donneur et l'accepteur étaient reliés par un anneau antiaromatique ? Un autre aspect innovant de la conception de M. Lindner est le choix du groupe donneur d'électrons : une fraction PAH dopée à l'azote (ou dopée à l'azote). Le dopage à l'azote fait que le squelette moléculaire adopte une géométrie légèrement concave, en forme de bol, ce qui contribue à réduire les interactions d'empilement indésirables en phase condensée.

Selon le Dr Lindner, "la conception de base de nos HAP dopés à l'azote s'est avérée très flexible, et leurs propriétés sont très sensibles au choix du groupe accepteur d'électrons. Par exemple, nous pouvons régler le mécanisme d'émission entre la fluorescence retardée activée thermiquement (TADF) et la phosphorescence à température ambiante (RTP). Cela nous donne un haut degré de contrôle sur le profil d'émission".

Après que les HAP dopés à l'azote ont été synthétisés par le groupe de recherche du Dr Lindner, leurs propriétés optiques et électroniques ont été soigneusement caractérisées par le prof. Przemysław Data, un spectroscopiste de l'Université de technologie de Silésie. Notamment, le groupe de recherche du prof. Data a enregistré les spectres d'émission des HAP dopés à l'azote dans différentes conditions et a mesuré les niveaux d'énergie des orbitales moléculaires.

En outre, le groupe du prof. Data a fabriqué des prototypes de diodes électroluminescentes organiques (OLED) intégrant les nouveaux composés et a mesuré leurs efficacités quantiques externes (EQE). Il s'est avéré que le PAH dopé à l'azote le plus performant a atteint une EQE de 12 %, supérieure à celle des émetteurs donneurs-accepteurs existants de type similaire.

Les travaux expérimentaux ont été complétés par des calculs de chimie quantique effectués par l'équipe dirigée par le Dr Adam Kubas, chimiste théoricien de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences. Le Dr Kubas et son groupe ont effectué des simulations informatiques de pointe des structures et des propriétés des HAP dopés à l'azote. Leurs simulations ont fourni des informations qui auraient été inaccessibles par la seule expérience.

"En termes de structure électronique, les HAP dopés à l'azote sont assez exotiques. La présence d'un cycle à sept chaînons entre les parties donneur et accepteur découple partiellement, mais pas complètement, les deux. Par conséquent, ces composés présentent des écarts d'énergie singulet-triplet faibles mais positifs, ce qui facilite l'émission par TADF." - explique Michał Kochman, chercheur postdoctoral dans le groupe du Dr Kubas.

Les résultats complets de cette étude ont été publiés dans Angewandte Chemie. Mais l'histoire ne s'arrête pas là : le consortium de recherche poursuit ses efforts pour développer des émetteurs améliorés pour des écrans OLED à haut rendement énergétique. L'équipe pense que nous entendrons bientôt parler de la deuxième génération de HAP dopés à l'azote, aux caractéristiques encore meilleures. La raison principale de ces progrès rapides est l'implication de spécialistes de plusieurs domaines différents qui apportent des compétences et une expertise diverses.

Le Dr Kubas est d'accord : "Une science de haute qualité nécessite une attitude interdisciplinaire. Dans notre projet de recherche, l'étroite coopération entre chimistes expérimentaux et théoriciens a permis de créer de nouveaux matériaux prometteurs dotés d'excellentes propriétés optoélectroniques. Par-dessus tout, nous avons pu démontrer un paradigme complètement nouveau pour la conception de HAP fortement émetteurs dopés à l'azote."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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