Une diode électroluminescente organique (OLED) d'un bleu profond développée par des chercheurs de Science Tokyo fonctionne avec une seule tension de 1,5 V, surmontant ainsi les problèmes de haute tension et de pureté des couleurs qui ont longtemps limité les OLED bleues. Cette percée a été réalisée grâce à l'introduction d'un nouveau dopant moléculaire qui empêche le piégeage de charge, un problème qui entravait auparavant les performances des OLED basse tension. Le dispositif résultant produit des émissions bleues nettes qui répondent aux normes BT.2020, ouvrant la voie à des écrans plus lumineux et plus économes en énergie.
Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont largement utilisées dans les téléviseurs grand écran et les écrans de smartphones. Pourtant, parmi les trois couleurs primaires nécessaires à la technologie couleur (rouge, vert et bleu), les émetteurs bleus restent les plus difficiles. Ils nécessitent une énergie plus élevée, nécessitant souvent des tensions de commande supérieures à 3 V, et souffrent d'une stabilité à long terme limitée.
Aujourd'hui, l'équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Seiichiro Izawa du Laboratoire des matériaux et structures de l'Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), au Japon, a réalisé une percée dans le domaine des OLED. L'équipe de recherche comprenait également le professeur Yutaka Majima, les doctorants Qing-jun Shui et Hiroto Iwasaki, ainsi que l'étudiant à la maîtrise Daiki Nakahigashi, tous issus du Frontier Materials Research Institute de Science Tokyo. Ils ont développé une OLED bleu profond capable d’être alimentée par une seule batterie de 1,5 V.
« Cette réalisation représente une avancée majeure dans la réduction de la tension requise pour une émission bleu profond de haute pureté proche des normes d'affichage de nouvelle génération », déclare Izawa.
L'étude a été publiée en ligne dans la revue Matériaux optiques avancés le 30 septembre 2025.
L'appareil est basé sur des OLED de type conversion ascendante (UC-OLED), qui génèrent de la lumière via un processus appelé annihilation triplet-triplet (TTA). Dans les OLED conventionnelles, la lumière est produite lorsque les électrons et les trous se rencontrent dans la couche d'émission, formant un état de transfert de charge qui excite un dopant fluorescent.
Les UC-OLED réduisent la tension de fonctionnement en décalant ce processus : les électrons et les trous forment un état de transfert de charge à l'interface entre la couche de transport de trous et la couche de transport d'électrons. Cette énergie est ensuite transférée aux excitons triplets du matériau hôte et, lorsque deux triplets s'annihilent, ils créent un état singulet d'énergie supérieure. Ce singulet excite alors une molécule dopante qui émet de la lumière.
Cependant, les versions antérieures des UC-OLED avaient des difficultés avec la pureté des couleurs. Ils produisaient souvent une lumière bleu ciel à large spectre. Le problème venait du choix du dopant et de sa tendance à piéger des trous. Dans les UC-OLED, aucun électron libre n’est disponible pour neutraliser ces charges piégées. En conséquence, les trous piégés s’accumulent, réduisant la mobilité des autres trous et empêchant une recombinaison efficace.
Pour surmonter ce problème, l’équipe a testé une gamme de dopants émettant du bleu. Ils ont commencé avec la famille de matériaux DABNA, connus pour leur émission étroite. En pratique, cependant, ces dopants ralentissaient le mouvement des charges et augmentaient la tension de fonctionnement de 1 à 2 V. Cela s'est produit parce que le DABNA a un niveau d'orbitale moléculaire occupée (HOMO) (le niveau d'énergie des trous) plus élevé que le matériau hôte, ce qui fait que les molécules agissent comme des pièges qui bloquent le transport des trous. Cependant, ils ont remarqué que lorsque les pièges étaient suffisamment peu profonds, les trous piégés pouvaient s'échapper grâce à l'énergie thermique.
S’appuyant sur ces connaissances, les chercheurs ont introduit une nouvelle classe de dopants : la famille QAO. QAO, abréviation de quinolinoacridine-dione, appartient à un groupe de molécules à fluorescence retardée activées thermiquement à plusieurs résonances. Il est important de noter que leurs niveaux HOMO sont inférieurs à ceux des matériaux hôtes, ce qui les empêche de piéger des trous et assure un transport fluide des charges.
Au sein de cette famille, un matériau s’est révélé particulièrement prometteur : le tB-CZ2CO, un dérivé de QAO doté de groupes latéraux tert-butyle volumineux. Les appareils contenant seulement 0,5 % de ce matériau produisaient une émission bleue nette et profonde à 447 nm avec une bande passante étroite de 20 nm, répondant à la norme de couleur exigeante BT.2020 pour les écrans à large gamme.
En analysant comment la structure moléculaire et les propriétés électroniques des dopants affectent le transport de charge et la formation de pièges, les chercheurs ont établi des règles de conception claires pour sélectionner les dopants produisant une émission bleue à bande étroite.
« Dans l'ensemble, nos résultats élucident non seulement les mécanismes de dopage complexes dans les UC-OLED, mais établissent également un cadre rationnel pour la conception d'UC-OLED bleus économes en énergie et de haute pureté de couleur, avec de larges implications pour les applications optoélectroniques de nouvelle génération », explique Izawa.
Ce travail répond à un défi de longue date et ouvre la voie à des écrans plus nets et plus économes en énergie avec une consommation d'énergie plus faible dans les téléviseurs grand écran, les écrans de smartphone et d'autres technologies basées sur OLED.
