Equipe Photonique Organique et Nanostructure Azzedine Boudrioua Alexis Fischer Nathalie Fabre Mahmoud Chakaroun Min Lee Jeanne Solard Azzedine Boudrioua.

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1 Equipe Photonique Organique et Nanostructure Azzedine Boudrioua Alexis Fischer Nathalie Fabre Mahmoud Chakaroun Min Lee Jeanne Solard Azzedine Boudrioua Alexis Fischer Nathalie Fabre Mahmoud Chakaroun Min Lee Jeanne Solard Equipe Photonique Organique et Nanostructures - Laboratoire de Physique des Lasers – UMR CNRS 7538, Université Paris 13

2 Les composés Organiques – Fabrication d’OLED – Guides polymères Les Nanostructures – Approche descendante : (lithographie optique et électronique) – Approche ascendante : autoorganisation de nanoparticules La Photonique – Microcavités laser (vecsel, cavité à cristaux photoniques) Thématiques scientifiques : Les mots clefs

3 Les thématiques scientifiques  Optoélectronique Organique  Les Diodes Electroluminescentes Organiques  Contrôle de la couleur d’émission-Thèse Hakim Choukri 2005-2008  Stage Master 2– OLED IR : Sonia Messadi 2012  Extraction lumineuse  Stage de master François Gourdon - 2009  Optimisation des OLEDs par l’utilisation de nanoparticules -Thèse Ayenew Getachew - 2010  Photonique organique  Les OLED en microcavités : vers les lasers organiques  OLED en microcavité à cristaux photoniques : Thèse François Gourdon 2009  OLED en microcavité multicouches ; Thèse Anthony Coens 2010  Photonique et Nanostructures  Structures photoniques à base de nanoparticules  Plusieurs stages de master en collaboration taiwan NCU  Thèse Getachew  Cristaux Photoniques Linéaires :  Stage Master 1 Habarek Dehbia – 2012  Thèse cotutelle Lamis - 2012  Cristaux Photoniques Non Linéaires (niobate de lithium)  Thèse de Quentin Ripault  Thèse de Mohmamed Lazoul  Physique des diodes lasers  Etude de diode laser à 980nm en régime de cohérence collapse  Thèse CIFRE avec 3S photonics - Fadwa baladi

4 Focus sur les compétences OLEDS  Optoélectronique Organique  Les Diodes Electroluminescentes Organiques  OLED Bleues  OLEDS blanches  Etude des électrodes  Extraction lumineuse  Photonique organique  Les OLED en microcavités : OLEDs rouges

5 Les Diodes Electroluminescentes Organiques - Généralités une ou plusieurs couches organiques Anode (ITO) Cathode (Aluminium) Couche d’injection des trous Couche de transport des trous Couche de transport des trous Couche émettrice Couche de transport des électrons Couche de blocage des trous Structure d’une diode électroluminescente organique Structure d’une diode électroluminescente organique V Lumière émise

6 Nouvel émetteur bleu Carbazolique OLED Bleu 100% PON Bon transporteur de trous et d’électrons Bon transporteur de trous et d’électrons Un rendement de fluorescence proche de 100% Un rendement de fluorescence proche de 100% Bon transporteur de trous et d’électrons Bon transporteur de trous et d’électrons Un rendement de fluorescence proche de 100% Un rendement de fluorescence proche de 100%

7 7 INTRODUCTION Obtenir une OLED blanche  Down-Conversion (Blue OLED + Phosphors)  Mixing basic colors in a single layer (« doping »)  Mixing colors obtained in separate regions o engineering of the recombination zone o microcavity effects OLED blanche par la technique de puits

8 8  Mixing two complementary colors in appropriate proportions : blue + yellow ð Including an ultrathin yellow layer in a blue matrix : better control of the thin film deposition Varying different parameters (thickness, position) to finely tune the color OLED blanche par la technique de puits

9 9 absorption Photoluminescence DPVBi Rubrene (Blue) (Yellow) Efficient Förster energy transfer

10 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = -10 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 3.4 % 1.2 lm/W 2275 cd/m² @60mA/cm² Anode Cathode Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] OLED blanche par la technique de puits

11 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = -5 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 1.7 % 0.9 lm/W 1700 cd/m² Anode Cathode Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] OLED blanche par la technique de puits

12 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = -3.5 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 1.7 % 1.1 lm/W 1795 cd/A Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] Bright white : CIE coordinates x= 0.32 ; y=0.33 Color Rendering Index = 73 OLED blanche par la technique de puits

13 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = -3 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 1.4 % 0.9 lm/W 1689 cd/m² Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] Anode Cathode OLED blanche par la technique de puits

14 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = 0 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 1.25 % 1.2 lm/W 1600 cd/m² Anode Cathode Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] OLED blanche par la technique de puits

15 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = 5 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 2.6 % 2.5 lm/W 4067 cd/m² Anode Cathode Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] OLED blanche par la technique de puits

16 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = 10 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 2 % 1 lm/W 1700 cd/m² Anode Cathode Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] OLED blanche par la technique de puits

17 NPB [50 nm] DPVBi [60 nm] d = 0 + - Ru [1 nm] ▲ d = 20 nm Color SpectrumCIE x,yPerformances η ext = 2.8 % 1.1 lm/W 1900 cd/A Anode Cathode Variation of the rubrene position d [-10 ► +20 nm] OLED blanche par la technique de puits

18 Plus de couleurs …moins de matériaux

19 Vers les diodes lasers organiques …  Est-il possible de réaliser une diode laser organique pompé électriquement?  Quelle hétéro-structure organique?  Quel type de cavité (microcavité)?  Comment optimiser les propriétés optiques et électriques?  Source accordable dans le visible  Bas coût, compacité, légèreté  Télécoms par fibre plastique  Capteurs chimique, biologiques  Diagnostique médical, lab-on-chip Intérêts et applications Enjeux

20 Vers les diodes lasers organiques: limitations 20 o Faible confinement optique (n=1,7 soit R=6%) o Faible densité de courant (< 1A/cm² en régime continu) o Forte absorption : Electrique : Absorption polaronique Optique : Annihilation singulet–triplet (TTA) Placer l’OLED à l’intérieur d’un résonateur Pompage électrique en régime impulsionnel: Densité de courant plus élevée (>1kA:cm²) Densité des états triplets moins élevée Une mobilité de charge plus importante et donc une densité de polarons plus faible Diminuer le seuil laser

21 Vers les diodes lasers organiques: stratégie Vertical microcavity 1D AXE 1 AXE 2 Photonic crystal 2DInverse opale 2D – 3D Top down Low mode volumeHigh QDefect cavity in PC Extended cavity - nanoparticles with the OLEDs Bottom up

22  Hétérostructure OLED Δλ=11 nm Luminance > 20000 cd/m² Luminance > 20000 cd/m² Densité de courant > 1000mA/cm² Densité de courant > 1000mA/cm² Rendement ηext> 4 Rendement ηext> 4 OLED en microcavité verticale de type VECSEL

23  Hétérostructure OLED Luminance > 20000 cd/m² Luminance > 20000 cd/m² Densité de courant > 1000mA/cm² Densité de courant > 1000mA/cm² Rendement η ext ~ 4 Rendement η ext ~ 4 OLED en microcavité verticale de type VECSEL

24  OLED en microcavité OLED en microcavité verticale de type VECSEL La longueur d’onde varie de façon linéaire en fonction de la longueur de la cavité : λ=1.34d + 453 La longueur d’onde varie de façon linéaire en fonction de la longueur de la cavité : λ=1.34d + 453 Rétrécissement spectrale de 80 nm à 11 nm. Rétrécissement spectrale de 80 nm à 11 nm. Un gain à la longueur d’onde de résonnance Un gain à la longueur d’onde de résonnance. Δλ=11 nm

25  OLED en microcavité Δλ=11 nm OLED en microcavité verticale de type VECSEL La longueur d’onde varie de façon linéaire en fonction de la longueur de la cavité : λ=1.34d + 453 La longueur d’onde varie de façon linéaire en fonction de la longueur de la cavité : λ=1.34d + 453 Rétrécissement spectrale de 80 nm à 11 nm. Rétrécissement spectrale de 80 nm à 11 nm. Un gain à la longueur d’onde de résonnance Un gain à la longueur d’onde de résonnance.

26  OLED en microcavité Δλ=11 nm OLED en microcavité verticale de type VECSEL La longueur d’onde varie de façon linéaire en fonction de la longueur de la cavité : λ=1.34d + 453 La longueur d’onde varie de façon linéaire en fonction de la longueur de la cavité : λ=1.34d + 453 Rétrécissement spectrale de 80 nm à 11 nm. Rétrécissement spectrale de 80 nm à 11 nm. Un gain à la longueur d’onde de résonnance Un gain à la longueur d’onde de résonnance.

27 Spectre d’émission de la cavité avant et après le seuil λ = 662 nm, threshold of 0.08 pJ (9.7 J/cm 2 ) under optical pumping OLED en microcavité à cristal photonique 2D sous pompage optique 1ère Démonstration : Emission d’une cavité à CP planaire + OLED sous pompage optique  Travaux récents au sein de l’équipe PON (Thèse F. Gourdon, nov. 2012) OLED en microcavité à cristal photonique 2D

28  Analyse du problème Etudes préliminaires sur l’extraction lumineuse d’OLEDs Localisation des excitons (~ 10 nm) Substrat de verre ~ 1 mm; n = 1,5 Couches organiques +ITO ~ 200 nm

29 18 novembre 2009 Anti Reflets et nanoparticules  Intérêt des nanoparticules Indice effectif aui fait intervenir le taux de remplissage  : n 2 nanoparticules =          => n nanoparticules = 1,29 Détourner le problème de l’angle limite(les nanoparticules jouent le rôle de microsphère) Diffusion de la lumière  Dépôt de couche antireflet de nanoparticules Etudes préliminaires sur l’extraction lumineuse d’OLEDs

30 Anti Reflets et nanoparticules  Dépôt de couche antireflet de nanoparticules Image par MEB d’un Dépôt de nanoparticules sur de substrat verre Etudes préliminaires sur l’extraction lumineuse d’OLEDs

31 Caractérisations possibles au sein de la CPN2  Caractérisation des topologie de surface par AFM Dépôt uniforme Dépôt rugueux(court circuit, luminance non uniforme, échauffement) A pour but de déterminer et d’étudier l’état de surface des couches minces déposées Etude antérieure (mesure AFM d’une couche mince d’Aluminium) :

32 Observation par MEB et par microscope optique Microscope optiqueMicroscope à balayage électronique Image d’un dépôt monocouche de nanoparticule Image d’une couche de Si 3 N 4 nanostructuré

33 5 µm  caractérisations optiques  Spectre de transmission Etude antérieure (Spectre de transmission d’un système multicouche ITO) : Caractérisations possibles au sein de la CPN2

34 Caractérisations par spectroscopie d’impédance  Objectifs Evaluer les résistances de contact, côtés électrodes/couche organique Etudier les phénomènes d’injection des charges (électrodes/couche organique) schéma électrique équivalent d’une OLED un analyseur d’impédance (ou de réseau) fonctionnant dans la gamme de fréquences 20 Hz->1 MHz, une cellule de mesure dans laquelle est inséré l’échantillon (l’OLED) un ordinateur équipé d’une interface susceptible de piloter l’appareil de mesure un analyseur d’impédance (ou de réseau) fonctionnant dans la gamme de fréquences 20 Hz->1 MHz, une cellule de mesure dans laquelle est inséré l’échantillon (l’OLED) un ordinateur équipé d’une interface susceptible de piloter l’appareil de mesure  banc expérimental Caractérisations possibles au sein de la CPN2

35 Réalisation des OLEDs blanches type P.I.N Dopage des couches de transports de trous pour améliorer l’injection et le transport de charge vers la couche émettrice j = (p+n).e.µ.E où p et n sont le nombres de porteurs de charges libres. Utilisation d’un dopant bleu fluorescent et de 2 dopants vert et rouge phosphorescent.

36 Caractérisation des performances électriques et optiques d’électrodes multicouches pour OLEDs LPL Laboratoire de physique de lasers Mahmoud Chakaroun Azzedine Boudrioua Alexis Fischer Nathalie Fabre Mahmoud Chakaroun Min Lee Jeanne Solard Mahmoud Chakaroun Azzedine Boudrioua Alexis Fischer Nathalie Fabre Mahmoud Chakaroun Min Lee Jeanne Solard Merci pour votre attention