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09/05/2022

Des matériaux innovants pour simplifier les dispositifs PhOLEDs des écrans et des systèmes d’éclairage de demain : le projet ANR SPIRO-QUEST

Les diodes organiques électroluminescentes (OLEDs), en particulier les OLED phosphorescentes (PhOLEDs), ont connu de nombreux développements avec des applications variées : écrans de télévision et de smartphone, systèmes d’éclairage, etc. La simplification de leur architecture multicouche vers des dispositifs « monocouches » est aujourd’hui un enjeu clé afin de réduire le coût et l'empreinte environnementale de ces technologies. C’est l’objectif du projet SPIRO-QUEST (2020-2024) financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR) et coordonné par Cyril Poriel, Directeur de Recherche à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes. Les approches de design moléculaire mises en œuvre au sein du projet ont permis d’intégrer plusieurs matrices hôtes organiques dans des PhOLEDs monocouches bleues, vertes et rouges, rapportant des performances remarquables, les plus élevées de la littérature à ce jour.

Du besoin de matrices hôtes performantes pour des PhOLED monocouches

Les OLEDs sont des dispositifs émetteurs de lumière composé d’un semi-conducteur organique situé entre deux électrodes. Dans ce domaine, les PhOLEDs sont la technologie la plus mature. Par rapport aux LED, ils offrent des contrastes très marqués, des couleurs plus vives, ainsi que des écrans plus fins car ils ne nécessitent pas de rétro-éclairage. 

Dans une PhOLED, la couche émissive de lumière est composée d’un système hôte/invité avec une matrice hôte organique qui assure les transferts d’énergie, et un complexe phosphorescent qui assure l’émission de lumière. Toutefois, leur architecture multicouche (couches qui aident à l’injection, au transport ou au blocage des charges depuis les électrodes vers la couche émissive de lumière) rend ces dispositifs coûteux en temps et en énergie.

Les PhOLEDs monocouches, uniquement constitués de la couche émissive de lumière et des électrodes, représentent ainsi une piste intéressante pour réduire les coûts énergétiques et de production, cependant il en existe très peu compte-tenu du manque de matrices hôtes adaptées, et leurs performances sont généralement faibles Le projet SPIRO-QUEST vise donc à définir des designs moléculaires très performants pour ce nouveau type d’application.

Vers la synthèse, l’étude et l’intégration de nouvelles matrices universelles dans des PhOLEDs monocouches

Les partenaires du projet ANR SPIRO-QUEST ont donc synthétisé, à ce jour, 6 molécules d’intérêt construites selon un design spécifique Donneur‐Spiro‐Accepteur, consistant à relier un fragment riche en électrons à un fragment pauvre en électrons en contrôlant l’interaction entre ces deux fragments. Ils ont ensuite analysé les propriétés physico-chimiques des matrices hôtes organiques et intégré ces dernières dans des PhOLEDs monocouches.

Des performances de PhOLEDs rouges, vertes et bleues remarquables ont été atteintes avec lʹassociation phénylacridine/oxyde de phosphine. Ces molécules possèdent un très haut niveau d’énergie de l’état triplet permettant d’assurer très efficacement les transferts d’énergie ; des niveaux HOMO/LUMO adaptés aux niveaux de Fermi des électrodes permettant d’assurer l’injection des charges ; et pour l’une d’entre elle, un transport de charge bien équilibré. Cette matrice universelle, c’est-à-dire adaptée à des PhOLEDs rouges, vertes et bleues, rapportée en 2020 présente les performances les plus élevées de la littérature (J. Mater. Chem. C 2020, 8, 16354).

La performance des PhOLEDs bleues monocouches apparait particulièrement élevée (18%) dans la mesure où ce type de dispositif émettant dans le bleu est beaucoup plus complexe à obtenir (injection des charges très difficiles, émission instable). Leurs travaux soulignent de plus le potentiel d’une autre matrice hôte pour des PhOLEDs monocouches, à partir d’un nouveau fragment riche en électrons, la Quinolinophénothiazine. Des PhOLEDs rouges, vertes et bleues performantes (rendement quantique externe de 10%) ont été rapportées (Mater. Chem. Front., 2021,5, 8066-8077).

A partir de ces résultats, ils ont rédigé la première revue sur les PhOLEDs monocouches (Adv. Funct. Mat. 2021, 31, 2010547). Une carte de structure/propriétés/performance des PhOLEDs, permettant de définir l’efficacité des designs, a pu être tracée. En parallèle de ces travaux, les partenaires ont développé de nouvelles générations de semi-conducteurs cycliques et étudié leurs propriétés de transport pour des incorporations futures dans des PhOLEDs (J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 8804), mettant en exergue l’impact du caractère cyclique sur le transport. Ils poursuivent actuellement leurs travaux d’ingénierie moléculaire en vue d’améliorer les performances des PhOLEDs.

Le projet ANR SPIRO-QUEST est un projet pionnier dans le domaine de l’électronique organique et associe trois équipes de recherches complémentaires, alliant chimie des systèmes pi-conjugués (C. Poriel/J. Rault-Berthelot, C. Quinton ISCR-Rennes), électronique (E. Jacques, IETR- Rennes) et physique des dispositifs électroniques (D. Tondelier, F. Lucas Ecole Polytechnique- LPCIM).

Références :

  • Universal host materials for red, green and blue high-efficiency single-layer phosphorescent organic light-emitting diodes. F. Lucas, C. Quinton, S. Fall, T. Heiser, D. Tondelier, B. Geffroy, N. Leclerc, J. Rault-Berthelot, C. Poriel, J. Mater. Chem. C 2020, 8, 16354-1636. DOI : 10.1039/D0TC04650G
  • Cyclo-N-alkyl-2,7-carbazoles: Influence of the Alkyl Chain Length on the Structural, Electronic, and Charge Transport Properties. F. Lucas, N. McIntosh, E. Jacques, C. Lebreton, B. Heinrich, B. Donnio, O. Jeannin, J. Rault-Berthelot, C. Quinton, J. Cornil, C. Poriel, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 8804-8820. DOI : 10.1021/jacs.1c03240
  • Quinolinophenothiazine as an electron rich fragment for high efficiency RGB single-layer phosphorescent organic light-emitting diodes. F. Lucas, D. Tondelier, B. Geffroy, T. Heiser, Olzhas A. Ibraikulov, C. Quinton, C. Brouillac, N. Leclerc, J. Rault-Berthelot, C. Poriel, Mater. Chem. Front., 2021,5, 8066-8077. DOI : 10.1021/accountsmr.1c00263
  • Designing Host Materials for the Emissive Layer of Single-Layer Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes: Toward Simplified Organic Devices. C. Poriel, J. Rault - Berthelot, Adv. Funct. Mat. 2021, 31, 2010547. DOI : 10.1002/adfm.202010547

En savoir plus :

Les publications du projet ANR SPIRO-QUEST en libre accès sur le portail HAL-ANR

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