Une technologie à base de chimie quantique a été mise au point par les chercheurs de l’Institut d'ingénierie physique de Moscou (MEPhI). Selon eux, elle permet de réduire considérablement le temps de création et de commercialisation de nouveaux appareils utilisant la technologie OLED – displays de haute qualité et sources lumineuses. Les résultats sont publiés dans la revue The Journal of Physical Chemistry A.
Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont un domaine perspectif de la nano-électronique utilisant les semi-conducteurs qui permet d’obtenir des sources lumineuses de taille compacte, bon marché et à haute efficacité ainsi que les pixels des displays.
Les chercheurs du MEPhI expliquent que leur méthode de sélection de molécules émettrices, qui est fondée sur des calculs en chimie quantique, permet d’accélérer et de faciliter le développement de toutes sortes de diodes électroluminescentes organiques de troisième génération en ayant recours à la modélisation informatique.
«Nous avons revu les principes de la conception moléculaire des émetteurs en analysant la molécule du di(9H-carbazol-9-yl)-phthalonitrile (2CzPN) qui est à l’heure actuelle la meilleure en matière d’efficacité. Après avoir analysé les processus multidirectionnels qui sont caractéristiques de cette molécule et d’autres semi-conducteurs organiques, nous avons distingué les caractéristiques clés de leur structure qui contribuent à une luminescence efficace», a expliqué Alexandra Freidzon, doctorante en chimie, assistante au département de Physique des milieux condensés de l’Institut des nanotechnologies en électronique du MEPhI.
Dans les diodes électroluminescentes organiques, l’émission de la lumière s’effectue grâce au processus de recombinaison, c’est-à-dire la collision entre les électrons qui sont porteurs de charges opposées et les trous -des molécules ou atomes sans électron.
L’efficacité quantique des diodes électroluminescentes organiques de première génération n’excédait pas 25% alors que dans celles de troisième génération développées actuellement par les chercheurs, on arrive à utiliser 100% de paires électron-trou. Cela a été rendu possible par l’utilisation d’un des processus à l’intérieur de la molécule, à savoir la fluorescence retardée activée thermiquement (Thermally activated delayed fluorescence – TADF).
Auparavant, on considérait que, pour être efficace, l’émetteur utilisant la TADF devait être composé de deux parties dont l’interaction devait être minime. Les chercheurs du MEPhI expliquent avoir découvert tout un panel de propriétés qu’un matériau doit avoir pour que l’émission dans ce matériau puisse concurrencer les processus sans émission.
«Il n’y a que nous qui avons réussi à appliquer la méthode de chimie quantique qui donne une grande précision quant à la situation des niveaux d’énergie de la molécule. Cela est crucial dans la théorie TADF puisque les erreurs dans la situation des niveaux changent radicalement la donne. Qui plus est, nous avons réussi à rassembler tous les processus qui conduisent à la TADF et ceux qui sont concurrents de celle-ci, et d’évaluer leur vitesse dans le cadre d’un seul modèle sans approximations supplémentaires», a fait remarquer Alexandra Freidzon.
Le screening informatique des matériaux avec des critères précis de sélection permettra de réduire drastiquement le volume du travail expérimental et d’accélérer la découverte et la commercialisation de nouveaux émetteurs OLED efficaces de troisième génération, ont expliqué les chercheurs du MEPhI.
La méthode de chimie quantique qui a été utilisée demande des calculs complexes mais, d’après les auteurs de la méthode, les résultats obtenus permettent par ailleurs de perfectionner et d’améliorer la qualité des méthodes plus simples et moins onéreuses utilisées pour étudier les semi-conducteurs organiques.
Les travaux de développement de la méthode ont été réalisés en collaboration avec le Centre de photochimie de l’Académie des sciences de Russie, dans le cadre de la subvention N°19-13-00383 du Fonds scientifique russe. Le collectif de chercheurs planche actuellement sur le développement d’éléments d’intelligence artificielle qui permettront de traiter les blocs de données pour un screening plus efficace.
