vendredi 20 juin 2008

Mon petit exposé

Haa putain c'est (presque) la quille, juste après mon PETIT exposé sur les écrans OLED et la mécanique quantique. Si ça vous intéresse (la réponse est non), le voici, comme ça, ça me permet de ma la péter, même si c'est inintéressant pour le commun des mortels :

Il y a une quarantaine d’années, l'industrie des semi-conducteurs s'est développée autour de matériaux tel que le Silicium. Cependant, dans cette catégorie de composants chimiques, il existe des matériaux organiques : les polymères conducteurs. De nombreuses perspectives d’applications font de « l’électronique organique » un champ de recherche majeur, d’autant plus que certains de ces polymères possèdent des propriétés d’électroluminescence permettant notamment la réalisation d’écrans plats dits OLED. On peut cependant se demander quels sont les mécanismes conduisant à l’électroluminescence et si leur fabrication et utilisation à grande échelle est possible. Nous verrons dans un premier temps une présentation de ces polymères et quels sont les mécanismes permettant la conduction et l’électroluminescence. Dans un second temps, nous aborderons une expérience de synthèse d’un de ces polymères et les expérimentations possibles afin d’observer le comportement électrique des DEL organiques.

I Les polymères semi-conducteurs électroluminescents : présentation et explication des mécanismes :

I,1) Présentation :

  • Un polymère est une macromolécule dont la structure se répète régulièrement en de longues chaînes constituées d’entités élémentaires (les monomères). Le présent exposé sera concentré sur un exemple particulier de polymère : le poly(p-phénylène vinylène) ou PPV, dont la découverte et l’exploitation des propriétés d’électroluminescence est assez récente (fin des années 80). (fig 1)
  • · Les polymères semi-conducteurs sont des polymères « conjugués ». Ils alternent les liaisons carbones simples et doubles. Ces liaisons sont délocalisées, ce qui permet le transport de charges à travers la molécule.

  • · L’avantage majeur de l’utilisation de ces polymères par rapport à d’autres technologies réside dans la facilité de leur fabrication et transformation. En effet, il existe aujourd'hui des polymères solubles, ce qui rend possible des techniques de dépôt simples et peu coûteuse, tel un système d’impression analogue à l’impression par jets d’encre.

  • · Le second avantage réside dans le fait qu’il est possible de réaliser des écrans d’une épaisseur très faible (de l’ordre de quelques millimètres) qui peuvent être rendus flexibles, rendant possible un grand nombre d’applications mobiles, pour la transmission d’informations aux utilisateurs par exemple.

I, 2) Mécanismes permettant le transport de charges et la semi conduction.

  • · Les liaisons carbone-carbone lient deux atomes identiques et résultent du partage des électrons périphériques qui se déplacent alors sur des orbitales moléculaires communes aux deux atomes. Dans l’atome de carbone, les 4 électrons de valence se répartissent entres les orbitales 2s et 2p (x,y,z). On peut décrire les liaisons moléculaires par des orbitales hybrides ainsi, on voit qu’une liaison sigma carbone-carbone naît de la superposition d’une des trois orbitales atomiques hybrides sp² de chaque carbone. Quant aux orbitales Pz des deux carbones, qui pointent perpendiculairement aux autres orbitales hybrides sp², elles se chevauchent pour former une liaison Pi délocalisée le long de la chaîne (Figure 2). C’est cette délocalisation d’électron sur la chaîne, permettant la circulation des électrons dans les recouvrements des nuages électroniques Pi qui rend possible le transfert de charges et donc la conduction.

  • · L’association de 2 OA donne naissance à une OM pouvant avoir 2 niveaux d’énergie (exemple type cours), pour une liaison Pi, la plus basse en énergie constitue l’orbitale HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital), analogue à la bande de valence : c'est-à-dire la bande de niveaux d’énergie complète la plus haute en énergie, alors que la Pi* constitue la bande de conduction ou orbitale LUMO, bande la plus basse en énergie vide ou non complète. Le caractère semi-conducteur est donc lié à ce bandgap, constituant la bande interdite d’énergies pour les électrons, par le fait qu’il faille fournir de l’énergie aux porteurs de charge pour qu’ils soient transportés via les OM Pi*, plus hautes en énergie.

  • · La conductivité dans un semi-conducteur organique est assuré par 2 porteurs de charges : d’une part par les électrons (électrons π*) et les trous, particule fictive chargée positivement représentant un électron Pi solitaire. (cf shéma)

I,3) Mécanismes explicatifs de l’électroluminescence.

  • · Un écran OLED est le plus souvent constitué d’une anode translucide (ITO (indium tin oxyde) par exemple), d’une couche de polymère, PPV par exemple, puis d’une cathode métallique (aluminium). Lors de l’application du courant, les charges sont injectées dans le polymère et migrent de chaines en chaines jusqu’à une zone de jonction où ces charges se recombinent avec leur partenaire de signe opposé. Cette recombinaison de charge permet l’émission de lumière, dont la longueur d’onde est directement liée à la largeur de la bande interdite. De plus, seule les recombinaisons à spin antiparallèles sont possibles (on parle d’exiton singulet) (faire un shéma).
  • · Application numérique : Bandgap PPV : de l’ordre de 2,5eV, E=h*mu, lambda=C/mu, lambda=C*h/(E*e)

Lambda= (3E8*6,6E-34)/ (2,5*1,6E-19) résultat environ égal à 500 nm, ce qui correspond à une radiation verte dans le visible, proche du vert-jaune observé expérimentalement.

II) Expérience de synthèse et expérimentations électriques possibles.

I,1) Synthèse du PPV

  • · Il existe une voie de synthèses assez simple et pratique du PPV, faisant appel à une solution de polymères précurseurs (II), créés à partir du produit (III) transformés en un sel de sulphonium, puis polymérisé en solvant polaire et filtrés par dialyse. Le précurseur (II) peut être redissout dans un solvant polaire anhydre et former assez facilement par conversion thermique des films de PPV d’épaisseur calibrée, très homogènes, denses et uniformes, pour créer des diodes de caractéristiques définies et homogènes. De plus, les films ainsi formés sont résistants à haute température, solides et stables à température ambiante.
  • · Cette synthèse étant malgré tout assez complexe à mettre en œuvre (notamment la phase de conversion thermique), mais ayant été couramment reproduite depuis 1990, il est possible que de nombreux laboratoires réalisent cette manipulation, notamment le laboratoire de Physique des Matériaux et des Nanostructures de l’université de Nantes.

    II, 2) Expériences annexes

    • Il est possible de déterminer expérimentalement la caractéristique de diodes électroluminescentes organiques grâce à un générateur de tension variable et à un ampèremètre, ce qui permet, d’après les résultats d’études déjà menées d’observer que la tension de seuil d’une telle diode (à savoir un film de 70nm de PPV su une surface de 2mm² entre avec électrodes ITO et aluminium) se situe aux alentours de 14 V.
  • · On peut aussi déterminer l’intensité lumineuse en fonction du courant appliqué sur une telle diode, qui d’après les études menées doit suivre une relation de proportionnalité

  • III) 3, inconvénients des écrans OLED

    · Les écrans OLED et les Diodes électroluminescentes organiques en général possèdent quelques inconvénients qui freinent encore leur application à grande échelle, en effet, la technologie étant encore assez récente, certains matériaux sont protégés par des brevets ce qui freine son développement, et la durée de vie des dispositifs OLED reste encore réduite, du fait, par exemple de la vulnérabilité de ces matériaux à l’eau.

    Donc, on à pu voir que les écrans OLED font appel à des phénomènes de semi-conduction et d’électroluminescence connus depuis assez longtemps mais qui jusqu’au début des années 90 n’avaient pas été exploités dans un même matériau, et nous avons pu observer que les moyens de synthèse et de transformation de ces polymères sont assez simples. Ces écrans OLED sont donc appelés à remplacer les affichages LCD, dans les technologies de l’information, cependant, il aurait été intéressant d’envisager les phénomènes quantiques complexes qui se déroulent dans la chaine lors de la recombinaison de charge, phénomène encore non résolu à l’échelle quantique.

Sympa, hein, j'espère que vous aimez. Ah oui, oups, j'oubliais, je dois dire tout ça en 10 minute, autant dire que les speakers de foot espagnols ont qu'à aller se rhabiller...

2 commentaires:

Vizir El Sehlir a dit…

Chapeau bas. Ca c'est de l'exposé ! Par contre, les 10 minutes, j'y crois pas trop lol. Ou alors, en apnée !

Sultan Al Batar a dit…

Tu rigole, mais j'ai réussi à le faire, en rajoutant 4 transparents à montrer ^^