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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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Les matériaux luminescents et leurs propriétés optiques
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3. Méthodes de synthèse et caractérisation des luminophores
3.1 Méthodes de synthèse
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La quasi-totalité des matériaux luminophores sont synthétisés par réaction à l'état solide à partir de matières premières à haute température. Le processus de synthèse comporte plusieurs étapes décrites ci-dessous.
•[nbsp ]Produits de départ : il est fondamental d'utiliser des produits de départ de très grande pureté. On trouve aujourd'hui dans le commerce des matières premières très pures (à 99,999 % et parfois même à 99,9999 %) bien que leur prix soit évidemment plus élevé.
•[nbsp ]Mélange intime des matières premières nécessaires à l'obtention du produit final souhaité : il peut être fait dans un acide puis coprécipité. Le mélange est ensuite mixé et cuit dans un creuset qui résiste aux hautes températures. Cela donne un matériau « fritté » ou aggloméré qu'il est nécessaire de broyer finement à nouveau. Cette opération peut être réalisée plusieurs fois de suite afin d'obtenir une phase homogène et un matériau de bonne qualité. Un matériau luminophore est composé d'une matrice hôte dans laquelle sont introduits des ions luminescents (dits aussi ions dopants ou ions impuretés luminescents) à raison de quelques pour-cent atomiques. Il est cependant toujours conseillé de synthétiser la matrice hôte non dopée, afin de vérifier sa pureté et également de pouvoir déterminer ses propriétés optiques. Afin d'obtenir un matériau stœchiométrique, il est parfois nécessaire d'introduire les matières premières en excès afin de compenser les[nbsp ]éventuelles évaporations lors de la synthèse qui pourraient conduire à des produits parasites.
•[nbsp ]Lavage du produit fini : après que la synthèse est terminée, il peut subsister dans le mélange des produits non désirés qu'il est nécessaire d'éliminer par des lavages postérieurs à la synthèse.
Dans l'industrie des luminophores, on utilise principalement des creusets en silice (T < 1 200 oC). Pour les très hautes températures on choisit préférentiellement des creusets en carbure de silicium (T < 1 400 oC) et en alumine ou en platine (T < 1 700 oC)....
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Méthodes de synthèse et caractérisation des luminophores
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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