Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les matériaux luminescents émettent de la lumière colorée après avoir absorbé de l’énergie d’une source excitatrice. Ce sont des convertisseurs d'énergie dans le domaine des fréquences optiques. On les emploie pour l'éclairage, la visualisation et ils seront utilisés dans les cellules solaires de demain. L’objectif de cet article est d’expliquer les processus physiques impliqués dans le phénomène de luminescence, comment on les étudie et quelles sont les nouvelles propriétés que l’on cherche à exacerber, compte tenu des nouvelles applications envisagées. Une première partie sera consacrée aux processus de base, puis une seconde aux méthodes de synthèse et de caractérisation et la fin de l’article sera consacrée aux applications dans le domaine de l’éclairage et des cellules solaires
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Bernard MOINE : Directeur de recherche au CNRS - Docteur ès Science physique - Institut Lumière Matière - UMR 5306 du CNRS, Lyon 1, France
INTRODUCTION
En ce qui concerne les applications des luminophores, de nouvelles technologies d'affichage et d'éclairage comme les écrans électroluminescents, les écrans à plasma et les écrans à micropointes, les lampes fluorescentes sans mercure, les diodes électroluminescentes (DEL) ont été, depuis les années 1990, à l'origine de recherches de nouveaux matériaux plus performants que ceux disponibles auparavant sur le marché. Les applications classiques qui utilisent les luminophores peuvent être classées en quatre catégories :
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les sources de lumière que sont les lampes fluorescentes ou les DEL ;
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les écrans d'affichage ;
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les détecteurs de rayons X ;
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l'ensemble des applications de marquage comme les peintures phosphorescentes, les marquages de timbres ou de billets de banque, etc.
De plus, des recherches se sont développées depuis quelques années pour intégrer des luminophores aux cellules solaires afin d'en accroître le rendement de conversion lumière/courant.
Il ne s'agit pas de dresser dans cet article une liste exhaustive de matériaux luminescents avec leurs caractéristiques (ce qui serait fastidieux) mais plutôt d'expliquer les processus physiques impliqués dans le phénomène de luminescence, comment on les étudie et quelles sont les nouvelles propriétés que l'on cherche à exacerber, compte tenu des nouvelles applications développées. Nous limiterons nos propos aux matériaux inorganiques bien qu'il existe des matériaux organiques fluorescents (fluorophores) principalement utilisés en biochimie et dans le domaine médical. Nous ne parlerons pas non plus des « quantum dots » (nanocristaux de semi-conducteurs) dont les émissions lumineuses trouvent des applications dans des domaines très variés (éclairage, photovoltaïque, biologie). Ils font, depuis une dizaine d'années, l'objet de nombreuses études et nécessiteraient un article à eux seuls. Le but de cet article est de montrer comment sélectionner les matériaux, les ions luminescents et leur comportement en fonction de la source excitatrice utilisée pour une application donnée.
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Méthodes de synthèse et caractérisation des luminophores
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2. Base du processus de luminescence
Suivant la nature de l'excitation responsable de l'émission lumineuse, on distingue plusieurs types de luminescence : la photo- luminescence lorsqu'il s'agit d'une excitation par des photons, la radioluminescence lorsqu'elle résulte d'une excitation par des radiations ionisantes (rayons X ou γ), la cathodoluminescence issue d'un bombardement par des particules (électrons, positrons), l'électroluminescence dans le cas d'une excitation électrique, la bioluminescence due à une réaction chimique, la thermoluminescence liée à une augmentation de température et même la triboluminescence lorsqu'elle provient d'une action mécanique. Dans tous les cas, le matériau luminescent absorbe l'énergie excitatrice et la restitue sous forme d'une émission lumineuse dont l'énergie se situe entre l'ultraviolet (UV) et le proche infrarouge (IR).
Dans cet article nous ne décrirons que les processus de photoluminescence et nous nous limiterons au cas des matériaux cristallins ou polycristallins qui constituent la très large majorité des matériaux luminophores solides utilisés dans l'éclairage et le photovoltaïque.
2.1 Niveaux d'énergie des ions luminescents
Les matériaux luminescents utilisés dans l'éclairage ou le photovoltaïque sont constitués en fait de matériaux « hôtes » cristallins ou polycristallins « dopés » par des ions luminescents. Tous les matériaux hôtes utilisés pour ces applications, sont soit des diélectriques, soit des semi-conducteurs et leurs propriétés optiques intrinsèques s'expliquent dans le cadre du modèle des bandes d'énergie.
Dans un atome isolé, les électrons se répartissent sur des niveaux d'énergie bien définis qui sont extrêmement fins, contrairement à l'électron libre qui peut avoir n'importe quelle énergie.
Dans les cristaux, qui sont constitués par un arrangement périodique d'atomes, on est dans un cas intermédiaire : les atomes étant intimement liés, les électrons peuvent avoir n'importe quelle énergie à l'intérieur de bandes plus ou moins larges séparées par des bandes « d'énergie interdite ». Dans les cristaux, qu'ils soient ioniques ou covalents, les atomes s'arrangent de manière à ce que chacun ait une couche externe complète, la bande correspondante est donc pleine et on l'appelle la bande de valence. La bande permise immédiatement supérieure énergétiquement...
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Base du processus de luminescence
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHIONOYA (S.), YEN (W.M.) - Phosphor handbook. - CRS Press LLC ed. (1999).
-
(2) - VALEUR (B.) - La couleur dans tous ses éclats. - Belin : Pour la science (2011).
-
(3) - BERTHIER (S.) - Iridescences : les couleurs physiques des insectes. - Springer (2003).
-
(4) - TANABE (Y.), SUGANO (S.) - * - J. Phys. Soc. Jpn., 9(5), p. 753 (1954) ; ibid 766 ; J. Phys. Soc. Jpn., 11(8), p. 864 (1954).
-
(5) - DIEKE (G.H.) - Spectra and energy levels of rare-earth ions in crystals. - Interscience Publishers, 401 p. (1968).
-
(6) - BLASSE (G.), GRABMAIER (B.C.) - Luminescent materials. - Springer-Verlag, 232 p. (1994).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Association française de l'éclairage http://www.afe-eclairage.com.fr
Système d'information géographique photovoltaïque – carte interactive https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/fr/IP_07_447 (consulté le 28 avril 2014)
Cellule photovoltaïque http://fr.wikipedia.org/wiki/Photoélectricité (consulté le 28 avril 2014)
Portail Solaire : annuaire de l'énergie solaire en France http://www.portail-solaire.com
HAUT DE PAGE2.1 Quelques laboratoires ou centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut national de l'énergie solaire http://www.ines-solaire.org
Institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP) http://www.irdep.cnrs-bellevue.fr
Laboratoire de physique des interfaces et couches minces http://www.lpicm.polytechnique.fr
Institut d'électronique du solide et des systèmes http://www.iness.c-strasbourg.fr
Institut...
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