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Gestion de la lumière dans des couches luminescentes nanostructurées : application aux diodes blanches
Amélie Revaux ()1
1:  PMC - Physique de la matière condensée
Dans le but de générer de la lumière blanche, une diode bleue peut être associée à des luminophores qui convertissent une partie de la lumière bleue de la diode en une lumière visible de plus basse énergie. Classiquement, cette conversion de lumière est assurée par des luminophores de taille micronique, du YAG:Ce le plus souvent. Compte tenu de la taille des luminophores, ces couches sont diffusantes, ce qui favorise l'extraction hors de la couche haut-indice de la lumière émise. Mais cette extraction n'est pas contrôlée et entraîne des pertes d'énergie. Afin de diminuer ces pertes dues à la diffusion, notre stratégie consiste à réaliser des couches de conversion de lumière à base de nanoparticules au lieu des luminophores microniques classiquement utilisés. Pour pouvoir prévoir et contrôler complètement l'extraction de la lumière alors guidée dans la couche de conversion transparente, la microstructure diélectrique de la matrice contenant les nanoparticules doit être optimisée. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence, sur des couches modèles composées d'une matrice sol-gel contenant des luminophores moléculaires, la possibilité d'extraire la lumière piégée dans une couche luminescente par une structuration périodique adéquate de sa surface. Un facteur 10 d'extraction a notamment été obtenu aux petits angles, correspondant à un facteur 5 en intégrant sur tous les angles. Nous avons ensuite développé des nanoparticules de YAG:Ce dont les propriétés optiques ont été optimisées pour se rapprocher de celles du matériau massif. Une procédure de recuit protégé a notamment été développée, permettant d'améliorer considérablement la photostabilité et le rendement interne des nanoparticules tout en conservant leur petite taille et leur bon état de dispersion. Enfin les particules ont été incorporées dans des couches transparentes afin de réaliser des couches de conversion de lumière, qui ont ensuite été déposées sur des diodes bleues.

2011-09-15
Physique, optique
Ecole Polytechnique
photoluminescence – cristal photonique – nanoparticules – films sol-gel – recuit protégé – YAG:Ce
Light management in nanopatterned luminescent layers: application to white LEDs
In order to create white light, a blue diode can be associated with phosphors, which convert a part of the blue light to a visible light presenting a lower energy. Usually, micron size phosphors are used as down-converter: the reference phosphor for this application is the doped oxide YAG:Ce. The phosphor size is larger than the wavelength, making the converter layer scatter, which helps to extract the emitted light outside of the high refractive index layer. Nevertheless, this extraction is not well controlled and leads to energy losses. We aim at diminishing these losses associated with scattering by using converter layers based on nanoparticles instead of micron size phosphors. In order to control the extraction of the light that is guided in the non diffusive converter layer, the dielectric microstructure of the matrix which contains the phosphors nanoparticles must be optimized. First, we demonstrate on model layers, consisting in a sol-gel matrix doped with molecular emitters, the ability to extract the light guided in a luminescent layer with an appropriated periodic patterning of its surface. A 10 factor has been obtained at small angles, which corresponds to a 5 factor when integrating over all angles. Then, we develop YAG:Ce nanoparticles with optimized optical properties. A protected annealing process is employed, which allows improving the photostability and the quantum yield of the nanoparticles, while still preserving their small size and their good dispersion state. Finally, particles are incorporated in transparent layers in order to create converter layers, which then have been deposited on white LEDs.
photoluminescence – photonic crystal – nanoparticles – sol-gel films – protected annealing – YAG:Ce
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