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Des DELs plus lumineuses grâce aux lucioles
Des chercheurs du laboratoire Nanotechnologies et Nanosystèmes « LN2 » (CNRS/Université de Sherbrooke/INSA Lyon/Ecole centrale de Lyon/CPE Lyon/Université Grenoble 1), l'Université de Namur et de l'Université Catholique de Louvain en Belgique ont réussi à augmenter de 55 % l'intensité lumineuse des diodes électroluminescentes (DELs). Ils se sont inspirés de la structure de l'abdomen des lucioles pour développer un modèle complet sur l’extraction de lumière pour l'appliquer à une nouvelle couche de matériaux qui optimise l'efficacité des DELs. Les équipes belges ont analysé les structures photoniques provenant de la luminescence de la lanterne des lucioles, qui se composent d'arêtes vives empêchant les fuites de lumière. Puis, ils ont théorisé un concept en dents de scie imitant l'abdomen de la luciole.
Substrat de DELs polarisé sur banc de test.
Dans les laboratoires de l'Institut interdisciplinaire d'innovation technologique (3IT) de l'Université de Sherbrooke où est localisée l’UMI-LN2, l'équipe a mis en œuvre toute la partie expérimentale du projet. Elle a fabriqué le prototype bio-inspiré et a recouvert des DELs d'une couche de matériaux pour améliorer de plus de 50% leur luminosité. « À court terme, un tel procédé pourrait être utilisé pour des applications industrielles sans avoir à créer de nouvelles structures de diodes. Quelques étapes supplémentaires au procédé permettraient de couvrir et de modeler la surface des DELs existantes », annonce Vincent Aimez, professeur de la Faculté de génie qui a dirigé les travaux de l'Université de Sherbrooke et est codirecteur de l'UMI-LN2.
Les spécialistes des semi-conducteurs regroupés au sein du 3IT ont fabriqué 100 % des composants du prototype. « Notre savoir-faire est unique en milieu universitaire canadien dans le domaine des DELs. Pour financer ce projet, nous avons bénéficié de l'apport de partenaires industriels régionaux et de NanoQuébec », mentionne Vincent Aimez.
Matrice de DELs sur échantillon test intégrant les structures bioinspirées
Un nouveau procédé rentable
« D'autres chercheurs ont étudié les propriétés particulières de l'abdomen des lucioles pour les reproduire, mais à une échelle infiniment petite, c'est-à-dire nanométrique, fait valoir Vincent Aimez. Or la fabrication à cette échelle, beaucoup plus complexe, entraîne des coûts très élevés. »
De leur côté, l’équipe internationale de ce projet a travaillé à une beaucoup plus grande échelle, de l'ordre de 10 micromètres, soit un centième de millimètre. « À cette grosseur, le procédé que nous avons conçu serait relativement facile à industrialiser et serait très rentable », ajoute le professeur Aimez.
Des écailles à géométrie unique
Mais comment une luciole peut-elle libérer des photons? Les réactions d'oxydoréduction favorisent cette énergie. Cette faible quantité de lumière est extraite de l'insecte avec une très grande efficacité. « Nos collègues européens ont étudié la structure de la lanterne du genre Photuris, un organe lumineux,et ils ont découvert une configuration inattendue au niveau de l'exosquelette de l'insecte, une structure en écaille, qui augmente la luminescence de l'abdomen », explique le spécialiste des semi-conducteurs sherbrookois.
Comme le précise l'auteure de correspondance de cette étude, la doctorante Annick Bay de l'Université de Namur, les lucioles créent de la lumière par une réaction chimique qui se déroule dans des cellules spécialisées, appelées photosensibles, et ces étincelles de feu sont émises à travers une partie du corps de l'insecte, la cuticule. Puisque la lumière voyage plus lentement à travers cette couche externe que dans l'air, une portion de la lumière est réfléchie vers l'abdomen, ce qui atténue le signal lumineux. La géométrie unique de la surface des cuticules minimise les réflexions internes, favorisant une meilleure propagation de la lumière pour attirer d'éventuels prétendants. À cet égard, la partie ciselée de la cuticule qui émet la plus grande quantité de signaux lumineux a servi de modèle aux chercheurs. Cette découverte démontre l'importance d'observer la nature pour innover en recherche.
Références
Optics Express, Vol. 21, Issue S1, pp. A179-A189 (2013)
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-21-101-A179 « Light-Emitting Diodes ».
Optimal overlayer inspired by Photuris firefly improves light-extraction efficiency of existing light-emitting diodes
Annick Bay,1,* Nicolas André,2 Michaël Sarrazin,1 Ali Belarouci,3 Vincent Aimez,3 Laurent A. Francis,2,3 and Jean Pol Vigneron1
1Research Center in Physics of Matter and Radiation (PMR), Department of Physics, University of Namur (FUNDP), 61 rue de Bruxelles, B-5000 Namur, Belgium
2ICTEAM Institute, Université Catholique de Louvain, B-1348 Louvain-la-Neuve, Belgium
3UMI3463- Laboratoire Nanotechnologies et Nanosystemes (UMI-LN2), Université de Sherbrooke CNRS INSA de Lyon ECL UJF-CPE Lyon, 2500 Boulevard de l’Université, Sherbrooke, Québec J1K 2R1, Canada
Contacts
“ Laboratoire nanotechnologies nanosystèmes (LN2)”
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