Luminophores sans terres rares à base d'aluminoborate pour des applications dans des dispositifs à LED

Rare-earth-free aluminoborate-based phosphors for applications in LED devices

• Auteur / Autrice : Jérémy Cathalan
• Direction : Isabelle Gautier-Luneau, Geneviève Chadeyron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, électrochimie, génie civil,
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Céline Darie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Daniele, Mohamed Bouazaoui, Franck Tessier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Daniele, Mohamed Bouazaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes

Luminophores

Mots clés libres

Luminophores

Aluminoborate

Diode électroluminescente

Synthèse

Durabilité

Phosphors

Aluminoborate

Light-Emitting diode

Synthesis

Durability

Résumé

Les dispositifs émettant une lumière blanche à partir de diodes électroluminescentes (LEDs) représentent une avancée technologique majeure sur les marchés de l’éclairage et de l’affichage, donnant lieu à une réduction significative de la consommation d’énergie. Les systèmes d’éclairage commercialisés de nos jours sont généralement basés sur la conversion partielle de l’émission d’une LED bleue par un mélange de luminophores jaune (YAG:Ce3+) et rouge (matrice dopée Eu2+). Ces matériaux photoluminescents contiennent des ions de terres rares (TR). Ce sont des éléments chimiques considérés comme critiques en raison des problèmes environnementaux, économiques et géopolitiques liés à leur extraction et au monopole de leur production par seulement quelques pays. Par conséquent, les acteurs du domaine de l’éclairage s’orientent vers la recherche de luminophores alternatifs sans TR. C’est dans cette dynamique que s’intègrent ces travaux de thèse, portant sur le développement de luminophores à base d’aluminoborates. Ces matériaux luminescents ont été synthétisés par la méthode Pechini impliquant une étape de chauffage soit par reflux soit en autoclave assisté par micro-ondes. L’optimisation des paramètres de synthèse a permis d’aboutir à des poudres caractérisées par une large bande d’émission couvrant tout le spectre du visible sous l’excitation d’une LED UV ou bleue (365 à 450 nm). Cette émission de photoluminescence, ajustable d’un blanc froid à un blanc chaud, est liée à des centres émetteurs organiques piégés dans la matrice inorganique. Les poudres aluminoborates, de taille micrométrique, ont été dispersées dans une matrice silicone pour former des films composites luminescents en vue de leur utilisation dans un prototype de LED en configuration remote phosphor. La stabilité sous contraintes thermique et/ou photonique, afin de reproduire les conditions d’usage, a été étudiée et apporte un regard critique sur les perspectives concernant ces matériaux et leur intégration dans des dispositifs à LED.

Solid-state white light sources using light-emitting diodes (LEDs) are a breakthrough technology in the lighting and display markets, leading to significant energy savings. Typical currently commercialized LED devices are based on the blue chip emission conversion by yellow (YAG:Ce3+) and red (Eu2+-doped matrix) phosphors. These photoluminescent materials all contain rare earth (RE) ions in their composition. RE elements are associated with environmental, economic and geopolitical issues related to the polluting extraction and the production monopoly by only a few countries, making them critical materials. This context has led to the search for alternative RE-free LED phosphor materials. In this PhD work, aluminoborate phosphors are developed through a Pechini synthesis based either on usual reflux heating or on a new protocol involving microwave-assisted autoclave heating. Syntheses parameters optimisation led to the development of powders characterized by a broad emission band in the entire visible spectrum when excited by UV or blue radiations (365 to 450 nm). This emission, related to organic emitting centres trapped in the inorganic matrix, is adjustable from a cold to a warm white. Luminescent composite films were elaborated by dispersing the micron-sized powders in a silicone matrix in order to use them in a remote phosphor configuration-LED prototype. Stability under thermal and/or UV stress, reproducing the conditions of use, is studied and brings a critical point of view about the perspectives of employing these phosphor materials in LED-based devices.