L’insertion d’un espaceur mince nanométrique dans les exuc-oleds améliore le transfert d’énergie, améliore les émissions de lumière bleue 77 fois, un moyen de pavage pour les OLED légers, basse tension et plus flexibles
Les diodes émettantes organiques (OLED) ont transformé la technologie d’affichage et d’éclairage avec leurs couleurs vives, leur contraste profond et leur efficacité énergétique. À mesure que la demande augmente pour des dispositifs plus légers, plus fins et plus d’économie d’énergie, en particulier dans les appareils portables, les pliables et l’électronique portable – il y a un intérêt croissant pour les OLED qui peuvent fonctionner à des tensions plus basses sans compromettre les performances. Un nouveau type d’OLED, connu sous le nom d’OLED de conversion accessible à la hausse Exciplex (exuc-oleds), a ouvert des voies plus récentes pour rendre la technologie d’affichage et d’éclairage plus efficace. Ces appareils utilisent un mécanisme différent pour générer des excitons, permettant une émission de lumière à des tensions beaucoup plus faibles.
Les OLED conventionnels émettent de la lumière lorsque les excitons (paires liées d’électrons et de trous) se détendent à un état d’énergie inférieure. La formation d’excitons nécessite une tension égale ou supérieure à la bande interdite du matériau émetteur – généralement autour de 3 V pour le rouge et 4 V pour la lumière bleue. En revanche, les exuc-oleds génèrent de la lumière via un état intermédiaire à l’énergie inférieure appelée exciplex, une paire de trou d’électrons lié à lié formé à l’interface entre les molécules donneur et accepteur. L’exciplex transfère son énergie à l’état de triplet de l’émetteur, permettant à la conversion ascendante du triplet-triplet (TTU). Dans TTU, deux triplés se combinent pour produire un état singulet à haute énergie, qui émet une lumière visible. Ce mécanisme permet aux exuc-oleds de produire de la lumière bleue à des tensions aussi faibles que 1,47 V. Cependant, leur développement a été limité par la nécessité de matériaux donneurs et accepteurs soigneusement appariés pour permettre un transfert d’énergie efficace, ce qui rétrécit les choix de matériaux et entrave la conception de l’appareil.
Pour débloquer le plein potentiel des exuc-oleds, des chercheurs de l’Université de Toyama de Toyama ont maintenant proposé une conception simple mais efficace qui peut rapprocher les exuc-olées de la commercialisation. En insérant une couche nanométrique (nm) -thin «espaceur» entre les matériaux donneurs et accepteurs, l’équipe a permis des combinaisons de matériaux incompatibles auparavant, entraînant une augmentation de 77 fois de la sortie de la lumière bleue.
L’étude, dirigée par le professeur agrégé Masahiro Morimoto et co-auteur par M. Ryosuke Fukazawa et le professeur Shigeki Naka, a été publiée en ligne dans la revue Matériaux optiques appliqués à l’ACS le 4 juin 2025.
« L’industrie OLED est déjà substantielle, mais les OLED à ultra-vollage changent la donne parce que les concepts de matériaux et de conception sont différents de ceux du passé. L’utilisation de matériaux d’espaceur appropriés ouvre une sélection plus large de matériaux utilisables dans les exuctes, » explique le Dr Morimoto.
L’espaceur augmente la séparation physique entre les molécules donneur et accepteur, affaiblissant l’attraction coulombique qui stabilise l’Exciplex. Ceci, à son tour, soulève l’énergie exciple (EEx), améliorant son chevauchement avec l’énergie triplet de l’émetteur. En conséquence, le transfert d’énergie devient plus efficace, entraînant des émissions de lumière, même avec des combinaisons de matériaux qui ne fonctionnaient pas auparavant.
Dans leurs expériences, l’équipe a utilisé un matériau de donneur d’écriture bleu, α, β-Adn, et testé deux accepteurs différents: HFL-NDI et PTCDI-C8avec et sans espaceur de bathocuproine (BCP). Sans l’espaceur, le PTCDI-C8 Le dispositif a mal fonctionné, atteignant une efficacité d’émission de lumière bleue de seulement 0,00083% en raison du chevauchement faible entre le niveau d’énergie exciple et l’état excité de triplet de la molécule d’émetteur. Cependant, avec un espaceur de 3 nm d’épaisseur, l’efficacité de l’appareil est passée à 0,064%, marquant une amélioration de 77 fois.
De plus, par une épaisseur d’espaceur variable de 0 nm à 9 nm, les chercheurs ont constaté que l’augmentation de la distance affaiblissait l’interaction coulombique à l’interface donneur-accepteur, augmentant le EEx de 0,06 eV à 0,09 eV. Cependant, un espaceur de 3 nm a fourni le meilleur compromis, augmentant suffisamment l’énergie exciple tout en permettant une formation exciple efficace.
L’équipe a également testé des espaceurs fabriqués à partir de matériaux avec différents moments dipolaires permanents. Bien que les propriétés électriques et les énergies d’exciplex soient largement non affectées par le matériau de l’espaceur, l’efficacité de la lumière bleue variait considérablement. Les entretoises à dipôle élevé, comme le BCP, ont entraîné une efficacité quantique externe plus élevée de 6,4 x 10-2%, par rapport à seulement 7,8 x 10-3% pour les entretoises non polaires comme UGH-2.
Avec cette conception simple et évolutive pour améliorer les exucs, cette étude marque un tournant significatif dans la technologie OLED. Il élargit la sélection de matériaux utilisables et nous rapproche de la réalisation d’OLED ultra-basse et économe en énergie adaptés aux écrans, aux appareils portables et aux systèmes d’éclairage.
«Les exucons peuvent être motivés à des tensions ultra-bas; l’élargissement de la liberté de sélection des matériaux pourrait conduire à une gamme plus large d’applications d’appareils, ouvrant la voie à des dispositifs émettants de lumière future et économisant de l’énergie au-delà des OLED», » conclut le Dr Morimoto, de manière optimiste.
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Titre du papier original: Amélioration de la liberté de sélection des matériaux pour les diodes émettrices organiques de type Conversion Up-Cconversion en contrôlant le transfert d’énergie à l’interface donneuse / accepteur
Journal: Matériaux optiques appliqués à l’ACS
Doi: 10.1021 / acsaom.5c00014
L’Université de Toyama est une université nationale de premier plan située à Toyama Prefecture, au Japon, avec des campus à Toyama City et à Takaoka City. Formé en 2005 grâce à l’intégration de trois anciennes institutions nationales, l’université rassemble un large éventail de disciplines dans ses 9 écoles de premier cycle, 6 écoles supérieures et une gamme d’instituts spécialisés. Avec plus de 9 000 étudiants, dont une cohorte internationale croissante, l’université se consacre à une éducation de haute qualité, à des recherches de pointe et à une contribution sociale significative. Guidé par la mission de cultiver les individus ayant une créativité, une conscience éthique et un fort sens de l’objectif, l’Université de Toyama favorise l’apprentissage qui intègre les sciences humaines, les sciences sociales, les sciences naturelles et les sciences de la vie. L’université met l’accent sur une norme mondiale d’éducation tout en restant profondément engagés avec la communauté locale.
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Docteur Masahiro Morimoto est professeur agrégé à la Faculté d’ingénierie de l’Assemblée académique de l’Université de Toyama et membre du laboratoire d’ingénierie des appareils optiques organiques, qui se concentre sur la conception et l’application de matériaux organiques pour les dispositifs électroniques et optiques de nouvelle génération. Ses recherches se concentrent sur la manipulation structurelle des films minces organiques et leur intégration dans l’électronique flexible, adaptée à la nature et à base de bio qui favorise la coexistence harmonieuse entre les personnes et la technologie. Depuis qu’il a rejoint l’Université de Toyama, le Dr Morimoto a occupé plusieurs rôles académiques et enseigne des cours liés aux sciences et à l’électronique des nanomatériaux.
Cette recherche a été soutenue en partie par JSPS Kakenhi, Numbers de subventions JP20KK0323, JP24K00921, un projet (JPNP20004) subventionné par la nouvelle Organisation de développement de la technologie Energy and Industrial (NEDO), la Izumi Science and Technology Foundation et la Shorai Foundation for Science and Technology.
Yumiko Kato
Université de Toyama
ykato@ctg.u-toyama.ac.jp
