Bibliographie & annexes
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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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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
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Conclusion3. Applications et dispositifs
3.1 Lasers organiques solides
Il y a 25 ans, « laser organique » était synonyme de « laser à colorant », c'est-à-dire de laser dont le milieu à gain est une solution liquide de molécules π-conjuguées (DCM, rhodamine...) : la variété des molécules disponibles, couplée au fait qu'une molécule donnée possède un spectre d'émission très large, en faisait alors les seuls lasers accordables disponibles, capables de couvrir tout le spectre du proche UV au proche IR. L'intérêt pour les lasers à colorant liquide a commencé à décliner dans les années 1990 pour des raisons essentiellement pratiques : ce type de laser est en effet généralement encombrant et de maintenance complexe et pénible (changement régulier des colorants, alignement...) et les colorants utilisés comme leurs solvants sont souvent cancérigènes.
On assiste aujourd'hui à un regain d'intérêt pour les lasers à base de matériaux organiques grâce à l'apparition, depuis la fin des années 1980, de systèmes tout solide basés essentiellement sur des semi-conducteurs organiques. Ces systèmes, en effet, tirent parti des progrès réalisés dans le domaine des OLED au niveau des matériaux et des techniques d'encapsulation et de dépôt : ainsi, la perspective de disposer de lasers compacts, bas coût, fabriqués à grande échelle et largement accordables est prometteuse dans le domaine des capteurs, du diagnostic médical, de la spectroscopie ou des télécommunications.
Comme on l'a vu précédemment, les matériaux organiques sont des candidats de choix pour réaliser des lasers dans le domaine visible, de par leur très fort gain et leur large spectre d'émission. Néanmoins, pour réaliser un laser, il faut insérer ce milieu organique dans un résonateur optique, ou « cavité laser » (voir par exemple [AF 3 270], ...
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Applications et dispositifs
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(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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