Stratégies pour la conception de diodes électroluminescentes organiques hautement efficaces

Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont devenues des dispositifs de choix pour les technologies d'affichage, particulièrement pour les pixels d'écrans mobiles. En effet, les écrans OLED possèdent une excellente qualité d'image due à un meilleur contraste de couleur, une luminosité élevée, une émission indépendante de l'angle d'observation et une faible consommation énergétique. De plus, les OLEDs ont l'avantage d'être constituées d'une structure simple et mince qui permet la fabrication de sources de lumière flexibles et étirables. Cette caractéristique permet l'utilisation d'OLEDs pour de nouvelles applications incompatibles avec l'utilisation de diodes électroluminescentes inorganiques traditionnelles telles que les écrans flexibles et roulables et les vêtements lumineux. Les OLEDs flexibles infrarouges sont particulièrement intéressantes puisqu'elles peuvent être intégrées à des bio-senseurs pouvant être facilement ajustés aux formes du corps humain afin d'imager des tissus. Quoique les OLEDs à l'état de l'art démontrent d'excellentes efficacités quantiques, celles-ci sont encore limitées par les pertes optiques liée à leur structure planaire formant une microcavité. En particulier, l'utilisation de ITO, un matériau de choix pour les anodes transparente d'OLED, réduit fortement l'extraction de lumière hors du dispositif en agissant comme guide d'onde qui transmet latéralement la lumière émise par la OLED. De plus, le ITO est un matériau fragile qui est incompatible avec la conception d'OLEDs flexibles. La substitution de l'ITO reste un problème complexe à résoudre puisque le nouveau matériau doit être transparent et conducteur en plus d'être facilement intégrable aux structures OLEDs existantes. Ensuite, la fabrication d'OLEDs efficaces émettant dans le proche infrarouge (PIR) constitue un second problème difficile à surmonter. Plusieurs stratégies ont été implémentées afin d'améliorer leurs performances mais, à ce jour, aucun dispositif ne démontre une efficacité quantique plus élevée que 5% pour cette gamme de longueurs d'onde. Ceci est dû en autres à la difficulté de synthétiser des émetteurs PIR efficaces. Dans un premier temps, le modèle du dipôle électrique oscillant classique est présenté. Ce modèle permet de prédire les différentes sources de pertes optiques dans des structures planaires arbitraires et peut servir de guide lors de la conception de dispositifs OLEDs. Le modèle de dipôle est d'abord validé en comparant des simulations de la densité d'états optiques de cristaux minces de MoS2 et de GaSe à celles obtenus expérimentalement par imagerie de plan focal arrière. La nature des transitions excitoniques pour les deux types de cristaux est ensuite déduite de l'orientation du moment de transition dipolaire extraite du modèle.

Abstract

Organic light-emitting diodes (OLED) have become widely used for display technologies, particularly for the individual pixels within mobile displays. This is a consequence of their high color contrast and brightness, an angle-dependant emission and low power consumption. In addition, their thin structure and weak intermolecular bonding allows for the fabrication of flexible and stretchable devices. This feature enables novel applications incompatible with the use of inorganic light-emitting diodes such as flexible and rollable screens and integration into fabric for light-emitting clothes. Flexibles infrared OLEDs are of particular interest since they can be integrated into biosensors that can be easily molded to the human body for tissue imaging. Even if state-of-the-art OLEDs show excellent quantum efficiencies, their performance is still limited by optical losses due to their planar structure which acts as a microcavity. In particular, the use of ITO, a choice material for bottom-emitting OLED transparent anodes, strongly reduces the extraction of light out of the device by acting as a waveguide that laterally transmits the OLED emission. Moreover, ITO's brittle nature makes it incompatible with the fabrication of flexible OLEDs. The issue of replacing ITO is not trivial since its replacement material has to be highly transparent, conducting and easily integrable to existing OLED structures. Secondly, the production of efficient near-infrared (NIR) OLEDs is another problem that is difficult to overcome. Several strategies have been implemented to improve their performance but, to date, no device has shown a quantum efficiency higher than 5% for this wavelength range. This is in part due to the difficulty of synthesizing efficient NIR emitters. First, a model for radiation from a classical oscillating electric dipole is presented. This model predicts the different pathways for optical losses in arbitrary planar structures and can be used as a guiding tool when designing OLEDs structures. The dipole model is first validated by comparing simulated thin MoS2 and GaSe crystal optical density of states with those obtained experimentally by back focal plane imaging. The nature of the excitonic transitions for both types of crystals is then deduced from the orientation of the dipole transition moment extracted from the model. Then, the angular-resolved emission obtained from a green phosphorescent organic emitter, Ir(ppy)2(acac), is compared with simulations from the dipole model. The fitting of experimental and theoretical spectra have confirmed that the organic pigment exhibits a preferentially horizontal transition dipole moment orientation depending on the type of host material used.