Structures Multi-matériaux multifonctionnelles Auto-oRganisées pour l’éclairage à LEDs – SMARtLEDS

Les architectures développées dans le cadre de ce projet répondront à deux stratégies : une approche top-down consistant à imprégner des réseaux de nanofils (NFs) de ZnO par des nanoparticules de YAG :Ce et une approche bottom-up consistant à faire croître les réseaux de NFs de ZnO sur une sous-couche de YAG cristallisée. Ces deux stratégies mettent en jeu des procédés de synthèse peu énergivores et transposables à l’échelle semi-industrielle voire industrielle. Ainsi, l’élaboration des réseaux de NFs de ZnO est réalisée via un procédé de croissance sélective impliquant l’utilisation d’une résine photosensible déposée par spin-coating, suivie d’une croissance hydrothermale des NFs à 90°C. Le traitement thermique permettant la cristallisation de la phase ZnO est réalisé à 540°C.
Selon la stratégie employée, le luminophore sera soit commercial, soit élaboré par voie sol-gel ou voie solvothermale. Le procédé de synthèse conditionnera la morphologie et la taille des particules. Les revêtements cristallisés YAG :Ce associés à l’approche bottom-up seront réalisés par voie sol-gel.
Les caractéristiques des architectures élaborées seront optimisées grâce à des simulations numériques permettant de définir notamment la densité optimale des NFs, mais également la périodicité et le motif du réseau de NFs conduisant à l’extraction spectrale et spatiale la plus appropriée pour l’application visée.
Les architectures élaborées seront caractérisées, en termes de propriétés structurales, morphologiques et optiques. Le maintien dans le temps de ces propriétés sera étudié dans les conditions d’usage d’un dispositif LED.
L’ensemble de ces études mènera, au terme du projet, à la réalisation d’un démonstrateur à LEDs dont les paramètres photométriques seront évalués.

Dans cette étude, la matrice céramique (YAG : Ce) a été associée à des nanofils (NFs) d’oxyde de zinc (ZnO), matériau stable et peu cher. Synthétisés dans des conditions respectueuses de l’Environnement, ces matériaux ont été combinés dans des architectures luminescentes prenant la forme de revêtements. Les objectifs étant ici d’accroître l’intensité de la lumière émise grâce à la structuration de surface amenée par les nanofils, organisés ou non sous la forme de réseaux périodiques micrométriques, et apporter la composante rouge via le ZnO. Une partie de ces travaux a été consacrée à l’optimisation du procédé d’élaboration des réseaux de NFs de ZnO afin d’en assurer la robustesse. Ces réseaux ont été obtenus par photogravure d’une résine sol-gel photosensible à base de ZnO suivie de la croissance des NFs par voie hydrothermale. Le procédé, optimisé sur substrat de silicium, a été transposé avec succès sur substrat de quartz puis sur une couche photoluminescente de YAG:Ce, cette dernière ayant été élaborée via un procédé sol-gel alcoxyde. Différentes configurations de réseaux ont été étudiées en faisant varier leur période, leur largeur et leur hauteur.
Les caractéristiques des architectures élaborées ont été optimisées grâce à des simulations numériques permettant de définir la densité optimale des NFs, la périodicité et le motif du réseau de NFs conduisant à l’extraction spectrale et spatiale de la lumière la plus appropriée pour l’application visée. Ces échantillons associant NFs de ZnO et YAG : Ce sont caractérisés par une amélioration de l’intensité de luminescence pouvant aller jusqu’à 50% selon la configuration de l’architecture.

Les résultats obtenus dans le cadre de SMARtLEDs ont été valorisés par la thèse d’Aubry Martin soutenue le 31 janvier 2023 (« Elaboration et caractérisation de structures multi-matériaux multifonctionnelles auto-organisées pour l’éclairage à LEDs. ».), par des publications et des communications orales et par affiches dans des congrès nationaux et internationaux. Les premières publications ont permis de valider les protocoles de broyage conduisant à l’obtention des nanoparticules de YAG :Ce qui ont été utilisées pour imprégner les structures de NFs de ZnO élaborés par voie hydrothermale (Publication : doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155708.). L’élaboration d’un sol de YAG :Ce par le procédé sol gel, sa mise en forme en couche mince et la croissance de NFs de ZnO sur cette dernière ont fait l’objet de la deuxième publication (https://doi.org/10.3390/nano12152568). L’exaltation des propriétés optiques du YAG : Ce grâce au couplage avec les NFs de ZnO a clairement été mise en évidence. La structuration en réseaux effectuée au cours du projet SMARtLEDs des NFs de ZnO a souligné l’importance des paramètres comme la période du réseau sur notamment l’angle et l’intensité d’extraction de la lumière que ce soit sur des réseaux de NFs de ZnO seul (https://doi.org/10.1002/adom.202300695) ou sur des hétérostuctures YAG:Ce – NFs de ZnO.
L’étude plus fine de ces hétérostructures fait l’objet d’une publication en cours de rédaction, qui sera complétée d’un dernier article (2024) davantage axé sur la simulation associée à ces hétérostructures.
Actuellement : Echanges avec Valeo Lighting, discussions en cours

Amara, N.; Martin, A.; Potdevin, A.; Riassetto, D.; Messaoud, M.; Réveret, F.; Chadeyron, G.; Bouaziz, J.; Langlet, M.
J. Alloys Compd. 2020, 842, 155708, doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155708.
Amara, N.; Martin, A.; Potdevin, A.; F. Reveret, Riassetto, D. ; Chadeyron, G.; Langlet, M. Nanomaterials 2022, 12(15), 2568; doi.org/10.3390/nano12152568
Martin, A., Potdevin, A., Réveret, F., Centeno, E., Smaali, R., Omeis, F., Riassetto, D., Kachan, E., Jourlin, Y., Chadeyron, G., Langlet, M., Adv. Optical Mater. 2023, 2300695. doi.org/10.1002/adom.202300695

1 article de vulgarisation dans la minute recherche : « Elaboration d’architectures complexes luminescentes destinées à l’éclairage à LEDs », octobre 2021 (https://www.uca.fr/recherche/sciences-et-societe/la-minute-recherche/elaboration-darchitectures-complexes-luminescentes-destinees-a-leclairage-a-leds)-

6 Conférences dans des congrès internationaux :
A. MARTIN et al.
“Luminescence properties of multiscale nanostructured coatings combining ZnO nanowires and Y3Al5O12:Ce3+”
International Conference on Luminescence 2023 (ICL2023), 27 août-1er septembre 2023, Paris.
E. CENTENO et al.
“Enhanced photoluminescence of ZnO nanowire coatings and gratings”
invitée, The 13th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META 2023), 18-21 juillet 2023, Paris.
F. OMEIS, et al.
“Enhancement of Light Emission Using ZnO Grating Nanowires: An Experimental and Numerical Study”
8th International Conference on Antennas and Electromagnetic Systems (AES), 24-27 mai 2022, Marrakesh (Maroc).
A. MARTINet al.
“Development of sol-gel derived ZnO nanowires (NWs) arrays for optical applications”
Sol-Gel 2022, 24-29 juillet 2022, Lyon.

N. AMARA, A. MARTIN, A. POTDEVIN, D. RIASSETTO, G. CHADEYRON, M. LANGLET
“Enhancement of the light extraction efficiency of sol-gel derived YAG:Ce coatings using ZnO nanowires (NWs) array”
EUROMAT 2021 (conférence virtuelle), 13-17 septembre 2021.
N. AMARA, A. MARTIN, A. POTDEVIN, F. REVERET, D. RIASSETTO, G. CHADEYRON, M. LANGLET
“Nanostructuration of YAG:Ce coatings by ZnO nanowires: a smart way to enhance light extraction efficiency”
EMRS Fall meeting 2021 (conférence virtuelle), 20-23 septembre 2021.

1 Conférence dans un congrès national
A. MARTIN, A. POTDEVIN, F. RÉVERET, E. CENTENO, E. SILAEVA, Y. JOURLIN, G. CHADEYRON, M. LANGLET
“Zinc oxide nanowires gratings by soft chemistry for optical applications”
JSGAuRA14, 14 avril 2022, Saint-Etienne.
1 Communication par affiche dans un congrès national
A. MARTIN, A. POTDEVIN, F. RÉVERET, D. RIASSETTO, M. LANGLET, G. CHADEYRON.
“Elaboration of multiscale nanostructured luminescent coatings by combining ZnO nanowires and Y3Al5O12:Ce3+ luminescent coatings”
C’Nano 2023, 15-17 mars 2023, Poitiers.

Le projet SMARtLEDs associe trois laboratoires de la région Auvergne-Rhône-Alpes (ICCF, LabHC, LMGP) et adresse le domaine de l’éclairage à LEDs. En effet, SMARtLEDs permettra de proposer une lumière blanche offrant des paramètres photométriques stables dans le temps et les conditions d’usage, répondant au cahier des charges de l’éclairage intérieur (IRC>90 et une température de couleur ~ 4000K). Le projet ambitionne d’atteindre ces objectifs par une approche totalement inédite associant des nanofils (NFs) de ZnO et des Luminophores (Ls).
Nos travaux porteront sur la structuration de revêtements de YAG:Ce3+ (Ls) via leur association avec des NFs de ZnO organisés sous la forme de réseaux périodiques. Ces derniers permettront à la fois d’améliorer l’extraction de lumière et d’apporter la composante rouge afin d’atteindre des Indices de Rendu de Couleur (IRC) en phase avec le cahier des charges de l’éclairage. Il sera ainsi possible de s’affranchir de l’utilisation des luminophores rouges actuels, chers et peu stables dans le temps, formulés à partir de nitrures ou sulfures de Terres Rares (TR) ou encore de fluorures activés Mn4+. Les matrices YAG:Ce3+ et ZnO seront élaborées par des techniques de chimie en solution bas coût (voies sol-gel et solvothermale). Leur combinaison devrait conduire à une émission de lumière blanche répondant aux exigences de l’éclairage. Une exaltation de l’intensité d’émission d’au moins 20% par rapport aux dispositifs actuels est visée sur la base des premières modélisations.
Différents phénomènes résultant de ces structures favoriseront l’extraction lumineuse. De par leur diamètre nanométrique et leur facteur de forme élevé, les NFs joueront le rôle de nano-antennes guidant la lumière, émise par les LEDs et convertie par les Ls, vers l’extérieur. La structuration de surface créée par les NFs contribuera aussi à une augmentation du nombre de cônes de fuite des photons ou à leur élargissement angulaire, multipliant ainsi les chemins optiques par diffusion au sein des réseaux de NFs. La dimensionnalité et la périodicité des réseaux de NFs seront également optimisées via les simulations numériques afin de réduire les pertes par réflexion interne et de contrôler l’angle d’extraction de la lumière. De plus, les NFs de ZnO favoriseront l’émission d’une lumière à IRC optimisé grâce à leur contribution spectrale dans le domaine du rouge sous excitation LEDs bleues. Ce point est essentiel car comme nous l’avons mentionné précédemment, il existe peu de luminophores sans TR, efficaces et stables dans le temps, offrant une émission rouge après excitation par une LED bleue. Ainsi, l’utilisation des NFs de ZnO pour apporter cette composante constitue un point fort de ce projet.
Pour les architectures élaborées, 2 approches complémentaires seront étudiées de façon comparative : la réalisation d’un revêtement de YAG:Ce servant de support à la couche de germination des NFs ou l’utilisation de suspensions de nanoparticules de YAG:Ce pour imprégner les NFs. Tout le potentiel et l’originalité du projet reposent sur l’association proposée portant sur 1- une méthode lithographique (insolation/développement) à moindre coût sur des résines sol-gel de ZnO spécifiquement développées pour cet usage et compatibles avec des réseaux photogravés à faible dimensionnalité, 2- la croissance localisée de NFs de ZnO sur des réseaux de ZnO photogravés, 3- des luminophores YAG :Ce aux performances optiques optimisées et dont les procédés de synthèse choisis autorisent des mises en forme adaptées, 4- une architecture multi-matériaux multifonctionnelle multi-échelles conduisant à une extraction optimisée de la lumière émise par la LED et à des performances optiques et colorimétriques exaltées et adaptées à l’application visée.
Un nouveau concept de dispositifs à LEDs aux performances accrues sera proposé à l’issue de ce projet et s’accompagnera de la réalisation d’un démonstrateur.