Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La photonique organique est un domaine pluridisciplinaire en plein essor qui s'intéresse aux phénomènes et aux composants dans lesquels des photons interagissent avec des matériaux organiques. Des dispositifs «organiques» se retrouvent dans de nombreux domaines de la photonique, des capteurs aux émetteurs de lumière. C'est à cette dernière catégorie que cet article est consacré : les bases de la physique des matériaux dits «p-conjugués » sont posées, et leurs propriétés et leur utilisation dans les diodes électroluminescentes et les lasers à base de matériaux organiques décrites.
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Organic photonics is a multidisciplinary burgeoning field that focuses on phenomena and components in which photons interact with organic materials. Organic devices can be found in many areas of photonics, from sensors to light emitters. The present article is devoted to this last category: we will lay the foundations of the physics of "p -conjugated materials" and describe their properties and their use in light emitting diodes and lasers based on organic materials.
Auteur(s)
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Sébastien FORGET : Maître de conférences - Laboratoire de physique des lasers, université Paris 13/CNRS, Sorbonne Paris Cité, Villetaneuse
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Sébastien CHENAIS : Maître de conférences - Laboratoire de physique des lasers, université Paris 13/CNRS, Sorbonne Paris Cité, Villetaneuse
INTRODUCTION
La photonique organique est un domaine en plein essor qui s'intéresse de manière générale aux phénomènes et aux composants dans lesquels des photons interagissent avec des matériaux organiques. La capacité qu'ont ces derniers d'émettre très efficacement de la lumière dans tout le spectre visible est connue depuis longtemps (lasers à colorants, fluorophores organiques...), mais la découverte au début des années 1980 des semi-conducteurs organiques (dotés en outre de propriétés de transport de charges électriques) a révolutionné le domaine en permettant l'invention et le développement de nouveaux composants tels que les cellules solaires ou les diodes électroluminescentes organiques (OLED). Ces dispositifs, maintenant matures et disponibles sur le marché, tirent également parti des propriétés structurelles spécifiques des matériaux organiques telles que leur faible coût, la possibilité de les adapter à de nombreuses fonctions par ingénierie chimique, ainsi que leur facilité de dépôt et de mise en forme sur de nombreux substrats et sur de grandes surfaces. On peut ainsi viser des applications difficilement accessibles aux technologies inorganiques, telles que des « feuilles de lumière » de grandes dimensions et de manière générale des composants qui s'adaptent facilement à des technologies existantes et de faible coût.
Nous nous intéressons dans cet article à l'émission de lumière par les matériaux organiques, en posant les bases de la photophysique de ces matériaux dits « pi-conjugués » permettant de comprendre quelles sont leurs spécificités et leurs limitations. Nous développerons ensuite deux exemples d'applications à des dispositifs pratiques : les OLED et les lasers organiques. Ces deux applications ont connu des développements différents en raison de la taille différente des marchés qu'elles visent. Les OLED sont largement répandues dans le domaine de l'affichage et elles ambitionnent de devenir une référence pour l'éclairage, avec aujourd'hui plus de 100 lm/W d'efficacité lumineuse démontrés pour des OLED blanches produisant un spectre proche du spectre solaire. Les lasers organiques sont quant à eux encore à un stade de recherche, avec des applications potentielles particulièrement prometteuses dans les domaines de la spectroscopie, des capteurs ou des laboratoires sur puce.
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MOTS-CLÉS
OLED pi-conjugaison laser éclairage affichage capteurs spectroscopie couches minces nanostructuration de surface
KEYWORDS
OLED | pi-conjugation | lasing | lighting | display | sensing | spectroscopy | thin film | surface nanopatterning
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Applications et dispositifs2. Propriétés photophysiques des matériaux organiques
Il existe deux façons de créer des états excités, ou excitons, dans les milieux organiques : par voie optique (absorption d'un photon) ou par voie électrique, c'est-à-dire par recombinaison d'un électron et d'un trou. On s'intéresse ici aux propriétés d'absorption, puis d'émission de lumière de ces composés.
2.1 Absorption de la lumière
L'état fondamental du système est décrit par l'orbitale HOMO contenant deux électrons dont les spins sont nécessairement antiparallèles afin de respecter le principe d'exclusion de Pauli (on dit que l'état fondamental est un état singulet de spin, noté S0 – voir paragraphe 1.3.2). Les états excités sont décrits par deux électrons, le premier dans l'orbitale HOMO et l'autre qui est promu dans une orbitale antiliante, qui peut être l'orbitale LUMO ou tout autre état d'énergie supérieure. Parce que les deux électrons ne sont plus alors dans le même niveau électronique, le principe d'exclusion de Pauli ne s'applique plus et toutes les combinaisons de spin sont de nouveau possibles. On distingue alors deux types d'états excités : ceux pour lesquels le spin total vaut 0 (schématiquement : un spin up + un spin down ), appelés états singulets, et ceux pour lesquels le spin total vaut 1 (deux spins alignés), appelés états triplets.
Les transitions optiques ne sont pas toutes possibles, elles sont régies par les règles de sélection . La règle de sélection la plus importante est...
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Propriétés photophysiques des matériaux organiques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LEHNHARDT (M.) et al - Impact of triplet absorption and triplet-singlet annihilation on the dynamics of optically pumped organic solid-state lasers. - Physical Review B, 81(16), p. 165206 (2010).
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(2) - COLES (H.), MORRIS (S.) - Liquid-crystal lasers. - Nat. Photon, 4(10), p. 676 (2011).
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(3) - KIM (C.H.) et al - Modeling the low-voltage regime of organic diodes : origin of the ideality factor. - Journal Of Applied Physics, 110(9), p. 093722 (2011).
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(4) - COROPCEANU (V.) et al - Charge transport in organic semiconductors. - Chemical Reviews, 107(4), p. 926 (2007).
-
(5) - SHIROTA (Y.), KAGEYAMA (H.) - Charge carrier transporting molecular materials and their applications in devices. - Chemical Reviews, 107(4), p. 953 (2007).
-
(6) - MOLITON (A.) - Optoelectronics of molecules and polymers. - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Institut d'optique graduate school http://www.optique-ingenieur.org/fr/
Université Paris Nord/13 http://www.optique-ingenieur.org/fr/
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