Des plaquettes au lieu de billes rendent les écrans plus économiques
Des scientifiques de l'ETH ont perfectionné la technologie QLED pour les écrans. Ils ont fabriqué des sources lumineuses qui, pour la première fois, émettent de la lumière à haute intensité dans une seule direction. Cela réduit les pertes par diffusion, ce qui rend la technologie extrêmement efficace sur le plan énergétique.
Depuis quelques années, on peut acheter des écrans QLED. Ils sont connus pour leurs couleurs claires et intenses, produites par la technologie dite des points quantiques. QLED signifie diode électroluminescente à point quantique. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé une technologie qui augmente l'efficacité énergétique des QLED. Les scientifiques y sont parvenus en minimisant les pertes de diffusion de la lumière à l'intérieur des diodes. Ainsi, une plus grande partie de la lumière produite s'échappe vers l'extérieur.
Les QLED conventionnelles sont composées d'une multitude de nanocristaux semi-conducteurs sphériques, également appelés points quantiques. Dans un écran, ces nanocristaux sont excités par l'arrière avec de la lumière UV. Les cristaux transforment celle-ci en lumière colorée dans le domaine visible. Selon la composition du matériau du nanocristal, une autre couleur appara?t.
Toutefois, ces nanocristaux sphériques diffusent la lumière générée à l'intérieur de l'écran sur tous les c?tés. Seul un cinquième environ de la lumière générée sort et est visible pour l'observateur. Afin d'augmenter l'efficacité énergétique de cette technologie, les scientifiques tentent depuis des années de développer des nanocristaux qui n'émettent de la lumière que dans une seule direction (vers l'avant, vers l'observateur). Les premières sources lumineuses de ce type existent d'ailleurs déjà. Elles ne sont pas constituées de cristaux sphériques, mais de nanoplaquettes ultrafines. Celles-ci n'émettent de la lumière que dans une seule direction - perpendiculairement au plan de la plaquette.
Lorsque ces nanoplaquettes sont placées c?te à c?te dans une couche, elles produisent une lumière relativement faible, insuffisante pour les écrans. Afin d'augmenter l'intensité de la lumière, les scientifiques envisagent de superposer plusieurs couches de ces plaquettes. Mais les plaquettes commencent alors à interagir les unes avec les autres et la lumière n'est plus émise dans une seule direction, mais sur tous les c?tés.
Empilés et isolés les uns des autres
Les chercheurs dirigés par Chih-Jen Shih, professeur de chimie technique à l'ETH Zurich, ont maintenant empilé des plaquettes de semi-conducteurs extrêmement fines (2,4 nanomètres) de manière à ce qu'elles soient séparées les unes des autres par une couche isolante encore plus fine (0,65 nanomètre) de molécules organiques. Cette couche empêche les interactions physiques quantiques, ce qui fait que les plaquettes, même empilées, n'émettent de la lumière que dans une seule direction.
"Plus nous empilons de plaquettes, plus la lumière devient intense. Nous pouvons ainsi influencer l'intensité de la lumière sans perdre la direction d'émission préférée", explique Jakub Jagielski, doctorant dans l'équipe de Shih et premier auteur de l'étude publiée dans la revue page externeNature Communications publient une publication spécialisée. Les scientifiques ont ainsi fabriqué pour la première fois un matériau qui émet de la lumière à haute intensité dans une seule direction.
Une lumière bleue très efficace sur le plan énergétique
Les chercheurs ont ainsi pu fabriquer des sources lumineuses pour la lumière bleue, verte, jaune et orange. Selon les scientifiques, la composante de couleur rouge, également nécessaire pour les écrans, ne peut actuellement pas encore être réalisée avec la nouvelle technologie.
En ce qui concerne la lumière bleue nouvellement créée, au lieu d'un cinquième de la lumière générée comme dans la technologie QLED traditionnelle, environ deux cinquièmes atteignent l'?il du spectateur. "Cela signifie que pour produire une lumière d'une certaine intensité, nous avons besoin de deux fois moins d'énergie avec notre technologie par rapport à la technologie QLED traditionnelle", explique le professeur Shih de l'ETH. Pour d'autres couleurs, le gain d'efficacité est toutefois encore plus faible à l'heure actuelle. C'est pourquoi les scientifiques tentent, dans le cadre d'autres travaux de recherche, de l'augmenter là aussi.
Par rapport aux LED traditionnelles, la nouvelle technologie présente un autre avantage, comme le soulignent les scientifiques : Les nouvelles QLED empilées sont très faciles à fabriquer en une seule étape. Dans le cas des LED traditionnelles, il est également possible d'augmenter l'intensité en superposant plusieurs couches d'émission de lumière. Cependant, leur fabrication se fait couche par couche et est donc plus complexe.
Référence bibliographique
Jagielski J, Solari SF, Jordan L, Scullion D, Blülle B, Li YT, Krumeich F, Chiu YC, Ruhstaller B, Santos EJG, Shih CJ : Scalable photonic sources using two-dimensional lead halide perovskite superlattices. Nature Communications 2020, doi : page externe10.1038/s41467-019-14084-3