DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Nanoluminophores de type grenat pour l’éclairage blanc – NanophosforLED

Nanoluminophores de type grenat pour l’éclairage blanc

Synthèse de nanocristaux inorganiques comme luminophores, vers un couplage avec des diodes bleues et la production d'un éclairage blanc optimisé.

Contrôle de la taille, de la morphologie et de la qualité cristalline de nanocristaux de grenat dopés Ce3+

L’objectif de ce projet est d’améliorer l’efficacité des diodes, leur qualité d’émission et leur vieillissement en utilisant des luminophores nanométriques (50-100 nm). Ainsi, la propagation de la lumière pourra être contrôlée et la rétrodiffusion minimisée. De plus, une mise en forme sans liant permettra un meilleur vieillissement des dispositifs. <br />Nous nous focaliserons sur des nanocristaux (NCs) de type grenat, stables et bien caractérisés à l’échelle micronique. Le défi sera d’élaborer et mettre en forme des nanoluminophores à haut f, une très bonne photostabilité et des propriétés spectrales adaptées. modifier le champ cristallin et décaler ainsi l’émission du Ce mais aussi pour élargir la maille cristalline permettant une meilleure incorporation du Ce. Des céramiques et des couches à base de NCs les plus performants seront élaborées sans liant, selon divers paramètres (taille des NCs, pression isostatique, température, nature de l’atmosphère et durée de recuit…) pour contrôler leur taux de diffusion. Des diffuseurs seront ajoutés, dont la taille, la proportion et la nature (TiO2, Al2O3, etc) seront ajustées, pour un meilleur contrôle de la diffusion. Nous établirons un lien entre taux de diffusion et intensité de PL pour proposer une couche de nanoluminophores donnant des wLED avec la meilleure efficacité lumineuse.

Pour cela, trois étapes sont envisagées :
(1) Nous développerons une synthèse originale basée sur la méthode solvothermale couplée à la haute pression (jusqu’à 400 bars) pour obtenir des NCs bien cristallisés, dans la gamme de taille visée. Cette technique maîtrisée au laboratoire apparaît très prometteuse au vu des résultats récemment obtenus montrant des NCs bien cristallisées (~ 20 nm). En travaillant sur les NCs de YAG:Ce considéré comme un système modèle, nous ajusterons les paramètres de synthèse (pression, température, nature des précurseurs, …) pour obtenir un bon contrôle de taille et de cristallinité des NCs. Nous étudierons la nanocristallisation du YAG:Ce et optimiserons les conditions de synthèse, grâce à des techniques in situ de mesures couplées de PL et de spectroscopie d’absorption X pour connaître l’état d’oxydation du cérium et minimiser la concentration en Ce4+.
(2) Nous développerons d’autres nanoluminophores, plus appropriés à l’élaboration de wLEDs en termes de propriétés spectrales et d’absorption. Une véritable ingénierie cristalline sera effectuée pour obtenir des NCs émettant plus vers le rouge, permettant l’obtention d’une lumière « blanc chaud » et pouvant incorporer plus de Ce3+ pour une exaltation de l’absorption de lumière incidente de la diode et ainsi pour de meilleures efficacité lumineuse et qualité spectrale. Nous proposons de substituer des cations Al3+ par d’autres éléments (Mg2+/Si4+, Ga3+, Sc3+) pour modifier le champ cristallin et décaler ainsi l’émission du Ce mais aussi pour élargir la maille cristalline permettant une meilleure incorporation du Ce.
(3) Des céramiques et des couches à base de NCs les plus performants seront élaborées sans liant, selon divers paramètres (taille des NCs, pression isostatique, température, nature de l’atmosphère et durée de recuit…) pour contrôler leur taux de diffusion et pour proposer une couche de nanoluminophores donnant des wLED avec la meilleure efficacité lumineuse.

Les NCs de YAG:Ce ont été optimisés par un procédé original couplant la synthèse solvothermale en milieu liquide, avec l'application d'une pression de valeur contrôlée. Grâce à une étude détaillée des conditions de synthèse, nous avons pu découpler les étapes de nucléation et de croissance des nanoparticules de YAG et contrôler leur taille dans une gamme de 30 à 200 nm. Grâce des études de spectroscopie d'absorption X (effectuées sur la ligne BM16, Fame-UHD) de l'ESRF, nous avons étudié l'influence de conditions de synthèse (et en particulier de la température) sur l'oxydation des ions Ce3+ pendant la synthèse. Il s'avère que plus la température de synthèse est élevée, plus l'oxydation du Ce3+ en Ce4+ est prononcée. Nos meilleurs résultats sont l'obtention de particules de YAG:Ce de 100 nm, présentant un rendement quantique de 40%, sans traitement thermique supplémentaire.

Les perspectives de ce travail sont de réaliser une ingénierie cristalline pour développer d'autres phases de type grenat et de travailler à la mise en forme des nanocristaux de YAG, soit sous forme de céramiques, soit sous forme de films de nanoparticules.

G. Dantelle et al. RSC Advances 2018, 8, 26857
G. Dantelle et al. SPIE 2018, 10533, 153322

Les diodes électroluminescentes blanches (wLED) commerciales combinent une diode bleue (?=450 nm) avec une couche constituée d’une poudre micronique de Y3Al5O12 dopés Ce3+ (YAG:Ce) encapsulée dans une résine (époxy ou silicone). Cette poudre, luminophore, présente un haut rendement quantique (f~90 %) de photoluminescence (PL), une grande photostabilité et de bonnes propriétés spectroscopiques. Ces wLED présentent cependant des émissions inconfortables « blanc froid », une efficacité lumineuse limitée (~ 70%) et vieillissent prématurément. Ceci est directement lié aux poudres YAG:Ce microniques: (1) les rayons lumineux incidents (bleus) et émis (jaunes) sont diffusés dans toute les directions, y compris vers la diode, ce qui induit des pertes par ré-absorption, un échauffement et une dégradation progressive de la diode ; (2) le YAG:Ce doit être encapsulé dans une résine qui jaunit sous rayonnement lumineux et modifie le rendu de couleur de la wLED, réduisant sa durée de vie, en particulier lors de fonctionnements à forte puissance ; (3) l’émission du YAG:Ce ne comporte pas assez de composante rouge, conduisant à des wLEDs d’un « blanc froid ». L’objectif de ce projet est d’améliorer l’efficacité des diodes, leur qualité d’émission et leur vieillissement en utilisant des luminophores nanométriques (50-100 nm). Ainsi, la propagation de la lumière pourra être contrôlée et la rétrodiffusion minimisée. De plus, une mise en forme sans liant permettra un meilleur vieillissement des dispositifs.
Nous nous focaliserons sur des nanocristaux (NCs) de type grenat, stables et bien caractérisés à l’échelle micronique. Le défi sera d’élaborer et mettre en forme des nanoluminophores à haut f, une très bonne photostabilité et des propriétés spectrales adaptées. Pour cela, trois étapes sont envisagées :
(1) Nous développerons une synthèse originale basée sur la méthode solvothermale couplée à la haute pression (jusqu’à 400 bars) pour obtenir des NCs bien cristallisés, dans la gamme de taille visée. Cette technique maîtrisée au laboratoire apparaît très prometteuse au vu des résultats récemment obtenus montrant des NCs bien cristallisées (~ 20 nm). En travaillant sur les NCs de YAG:Ce considéré comme un système modèle, nous ajusterons les paramètres de synthèse (pression, température, nature des précurseurs, …) pour obtenir un bon contrôle de taille et de cristallinité des NCs. Nous étudierons la nanocristallisation du YAG:Ce et optimiserons les conditions de synthèse, grâce à des techniques in situ de mesures couplées de PL et de spectroscopie d’absorption X pour connaître l’état d’oxydation du cérium et minimiser la concentration en Ce4+, inhibiteur de PL.
(2) Nous développerons d’autres nanoluminophores, plus appropriés à l’élaboration de wLEDs en termes de propriétés spectrales et d’absorption. Une véritable ingénierie cristalline sera effectuée pour obtenir des NCs émettant plus vers le rouge, permettant l’obtention d’une lumière « blanc chaud » et pouvant incorporer plus de Ce3+ pour une exaltation de l’absorption de lumière incidente de la diode et ainsi pour de meilleures efficacité lumineuse et qualité spectrale. Nous proposons de substituer des cations Al3+ par d’autres éléments (Mg2+/Si4+, Ga3+, Sc3+) pour modifier le champ cristallin et décaler ainsi l’émission du Ce mais aussi pour élargir la maille cristalline permettant une meilleure incorporation du Ce.
(3) Des céramiques et des couches à base de NCs les plus performants seront élaborées sans liant, selon divers paramètres (taille des NCs, pression isostatique, température, nature de l’atmosphère et durée de recuit…) pour contrôler leur taux de diffusion. Des diffuseurs seront ajoutés, dont la taille, la proportion et la nature (TiO2, Al2O3, etc) seront ajustées, pour un meilleur contrôle de la diffusion. Nous établirons un lien entre taux de diffusion et intensité de PL pour proposer une couche de nanoluminophores donnant des wLED avec la meilleure efficacité lumineuse.

Coordinateur du projet

Madame Géraldine Dantelle (Institut Néel - CNRS)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INEEL Institut Néel - CNRS

Aide de l'ANR 208 999 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 48 Mois

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