Chimie combinatoire pour la découverte de matériaux luminescents avec haute éfficacité et rendu de couleur pour l'éclairage – Combi-SSL

L'industrie de l'éclairage est estimée croître de 26 milliards de dollars à 72 milliards de dollars en quatre ans avec les LEDs progressant de 45% à 70% de part de marché. Dans ce contexte, la découverte de nouveaux luminescents efficaces avec un haut rendu de couleur est primordiale mais très compétitive à cause d'importants investissements asiatiques. Dans le but de rester compétitif dans ce marché mondial, il est donc important de développer une nouvelle approche pour accélérer la découverte de ces matériaux qui sont habituellement synthétisés par essai-erreur. En effet, les méthodes conventionnelles sont longues et répétitives parce que de très faibles modifications dans la synthèse peuvent avoir des effets drastiques sur les propriétés de photoluminescence et, jusqu'à maintenant, aucune théorie ne peut prédire ces matériaux convenablement. Ainsi, nous proposons de développer une méthode combinatoire pour la découverte de ces composés. Notre projet ANR se basera sur un nouveau concept récemment publié par notre groupe : Sous un gradient de température et avec un piège à oxygène, les degrés d'oxydation des dopants peuvent être contrôlés. Ainsi, la simple modification du ratio de dopants dans des degrés d'oxydation différents peut mener à un mélange contrôlé de bandes d'émissions afin de cibler différentes couleurs de luminescence.
Avec notre stratégie, le but est d'obtenir des systèmes monophasés avec des mélanges contrôlés d'émissions afin d'obtenir des luminescents blancs pour l'éclairage de type LED. Deux principaux paramètres vont être modifiés dans notre approche combinatoire: (a) la composition du composé monophasé, et (b) les degrés d'oxydation des dopants. Sur le substrat ou le porte échantillon bidimensionnel, chaque direction correspondra à l'évolution de chacun de ces deux paramètres. Le projet consistera, tout d'abord, à développer cette approche combinatoire: (i) la préparation des différentes séries de matériaux de compositions différentes par déposition de couches ou en utilisant des creusets à multi-cavités, (ii) la réduction contrôlée des dopants sous un gradient de températures et sous une pression faible en oxygène, (iii) la caractérisation des compositions par analyse élémentaire et cartographie de la photoluminescence, et (iv) la synthèse et la caractérisation des matériaux intéressants identifiés lors de la précédente étape. Le but est donc d'accélérer la découverte de nouveaux luminescents avec une méthode simple qui pourrait, par la suite, être utilisée par plusieurs laboratoires. En plus des métaux de transitions qui, dans la plupart des cas, sont des éléments multivalents, des terres rares telles que Erbium, Europium ou Samarium peuvent également se trouver dans différents degrés d'oxydation. De plus, chaque dopant est responsable de différentes couleurs d'émissions, de durées de vie, ... Pour cette raison, une multitude de combinaisons de matrices et de dopants multivalents peuvent être tentées pour contrôler les propriétés optiques dans l'approche combinatoire.
Cette nouvelle méthode sera testée et appliquée à différents systèmes chimiques avec trois buts principaux: (1) la combinaison et le contrôle des intensités de trois bandes d'émissions (Rouge + Vert + Bleu) afin de balayer toutes les couleurs, (2) l'optimisation des luminescents qui sont actuellement utilisés dans les LEDs blanches commercialisées, et (3) le "screening" de nouveaux matériaux luminescents. Le projet regroupe différents collaborateurs de l'Institut des Matériaux Jean Rouxel ayant différents domaines d'expertise en synthèse et caractérisation des matériaux inorganiques. Avec cette nouvelle approche, de nouveaux luminescents ayant des efficacités quantiques élevées pourront être identifiés et les matériaux luminescents commercialisés pourront être optimisés. Ceci pourrait donc considérablement impacter l'industrie française de l'éclairage.