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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Choix des matériaux suivant l'énergie d'excitation
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4. Les matériaux luminescents et leurs propriétés optiques
On peut classer les matériaux luminescents en deux catégories : ceux qui émettent une bande large et ceux qui émettent des raies fines. Suivant l'effet ou l'application désirée, on s'orientera vers l'une ou l'autre catégorie. Cette différence de comportement spectral est due à la nature des orbitales électroniques impliquées dans les transitions optiques. L'ion dopant interagit avec ses plus proches voisins dans le réseau hôte et les modes de vibration de celui-ci. Ce couplage est décrit de manière très simplifiée, dans le cadre du diagramme des courbes de configuration, par le modèle de l'oscillateur harmonique. On considère le couplage entre les états électroniques et les vibrations du réseau. Pour simplifier encore plus, on suppose que le mode vibratoire est totalement symétrique (mode respiratoire) ce qui permet de représenter les niveaux d'énergie par des paraboles dont le minimum correspond à la position d'équilibre du système dans l'état considéré. Bien que ce modèle corresponde à une simplification très forte de la réalité, il permet cependant d'expliquer assez bien les spectres d'absorption et d'émission des ions dans les matériaux. Il existe ainsi deux situations différentes suivant que les positions d'équilibre de l'état fondamental et des états excités des systèmes électroniques considérés sont distinctes ou identiques.
4.1 Ions émetteurs large bande
Le cas d'un système électronique pour lequel les positions d'équilibre sont différentes est représenté sur la figure 15.
Ce cas correspond à des transitions qui font intervenir des orbitales électroniques fortement couplées aux ions du réseau et/ou avec une forte extension spatiale ; c'est le cas, par exemple, des transitions du type f → d, d → d, s → p, d → s des ions de terres rares divalents et des ions de transition Bi3+, Pb2+,Cu+, Ag+… Si la transition a lieu par exemple d'une orbitale f vers une orbitale d, la taille de l'ion augmente lors de la transition vers l'état excité. Les transitions d'absorption et d'émission prennent la forme de bandes larges et on observe alors un décalage énergétique, appelé décalage de Stokes, entre la bande d'absorption et la bande d'émission. Plus le couplage avec le réseau hôte est fort, plus la valeur de...
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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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