Simplification des dispositifs PhOLEDs via des matrices hôtes hydrocarbonées

Depuis la découverte des diodes organiques électroluminescentes en 1987, la technologie a évolué permettant d’augmenter l’efficacité de ces dispositifs émetteurs de lumière en modifiant leur principe de fonctionnement via la nature des transferts énergétiques impliqués dans les dispositifs. Ainsi, en à peine 35 ans, quatre types d’OLEDs ont été mis au point : les OLEDs fluorescentes, les OLEDs phosphorescentes (PhOLEDs), celles à émission de fluorescence retardée activée thermiquement (OLEDs-TADF) et enfin les OLEDs hyperfluorescentes (HF-OLEDs).

En 2023, les dispositifs les plus efficaces en termes d’émission et de stabilité sont les PhOLEDs dans lesquelles la couche émissive est une matrice hôte dopée par un émetteur phosphorescent. Par une adaptation adéquate des niveaux énergétiques entre la matrice et le dopant, la quasi-totalité des excitons formés dans la matrice lors de la mise sous tension du dispositif est transférée au dopant qui est l’émetteur de la diode. De ce fait, le rendement quantique interne du dispositif peut atteindre 100 %.

Les propriétés requises pour qu’un semi-conducteur organique puisse être utilisé comme matrice hôte dans une PhOLED sont : (i) une bonne adaptation des niveaux énergétiques HOMO et LUMO au niveau de Fermi des électrodes et/ou aux niveaux HOMO et LUMO des couches intermédiaires afin de faciliter l’injection des charges dans la matrice, (ii) une mobilité équilibrée des électrons et des trous pour optimiser la recombinaison des paires électron-trou, (iii) une bonne stabilité thermique et morphologique pour permettre le dépôt sous vide et pour éviter la décomposition ou l’évolution de la matrice lorsque la diode est en fonctionnement et enfin (iv) une bonne adaptation des niveaux énergétiques de la matrice au dopant et, en particulier, les niveaux S¹ et T¹ de la matrice doivent être supérieurs aux niveaux S¹ et T¹ du dopant pour permettre un transfert total des excitons singulets et des excitons triplets de la matrice vers le dopant.

Sur la base de ces prérequis, des progrès fantastiques ont eu lieu depuis la description de la première PhOLED en 1998. D’une part, les chercheurs ont tenté d’en simplifier le design, le mode et le coût de fabrication, ainsi que la facilité du recyclage. D’autre part, la recherche de matrices hôtes stables et efficaces a été un champ de recherche très développé.

Aujourd'hui, la plupart des matrices hôtes conduisant à des dispositifs efficaces sont basées sur de petites unités fonctionnelles de type donneur d’électrons (D : carbazole, diphénylamine…) ou accepteur d’électrons (A : oxyde de phosphine, sulfone, oxadiazole…) en général de type D-A, D-π-A (π pour système π) ou D-spiro-A (spiro pour jonction spiro) permettant d'atteindre un rendement quantique externe approchant les 30 % pour les trois couleurs principales à savoir le rouge, le vert et le bleu. Le revers de la médaille de

ces matrices hôtes à base d’unités D et A est qu’elles contiennent toutes des hétéroatomes (N, O, P, S…) dans leurs structures moléculaires, dont la présence entraîne une complexité de synthèse, un coût élevé de production et surtout peut augmenter l’instabilité des matrices dans le dispositif en fonctionnement.

Afin de pallier ces effets, une nouvelle génération de matrices hôtes a vu le jour et s’est développée atteignant, voire dépassant aujourd’hui les performances des matrices contenant des hétéroatomes. Ces matrices ne contiennent que des atomes de carbone et d’hydrogène (PHC pour Pure HydroCarbon) et concurrencent aujourd’hui les matrices contenant des hétéroatomes.

Le propos de cet article est de faire le point sur ces différentes matrices PHC depuis le ter-spirobifluorène utilisé dans une diode rouge en 2005, jusqu’aux résultats plus récents obtenus avec des composés à base de spirobifluorène substitués en position 1 par différents dérivés du phényle, et en particulier ceux ayant conduit à une diode blanche dont le rendement quantique externe approche 28 %, montrant ainsi l’efficacité réelle des semi-conducteurs PHC comme matrices hôtes dans les dispositifs PhOLEDs.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des acronymes/sigles et symboles utilisés.