Un dispositif OLED souple et transparent à base de graphène
Constitué d'atomes liés formant des feuilles épaisses d'un atome seulement, le graphène est le matériau le plus fin connu et peut-être aussi le plus résistant. Son rapport résistance / poids élevé en fait un matériau idéal pour un grand nombre d'utilisations, qui vont de l'électronique flexible et des sources lumineuses minces à des cellules solaires et des emballages améliorés. Grâce à ses extraordinaires propriétés optiques, électriques et mécaniques, le graphène est également un candidat très prometteur pour une nouvelle génération d'électrodes transparentes. Jusqu'à aujourd'hui, l'oxyde d'étain-indium (ITO) a dominé le marché des matériaux des électrodes transparentes OLED. Mais les électrodes en ITO sont fragiles, et la difficulté d'approvisionnement et l'augmentation de la demande rendent difficile leur utilisation industrielle. Avec le projet GLADIATOR (Graphene layers: Production, characterization and integration), financé par l'UE, des scientifiques ont réussi à mettre au point un panneau OLED complètement flexible basé sur des électrodes au graphène. Les nouvelles technologies de production utilisées dans le projet facilitent la production à échelle industrielle de feuilles de graphène moins coûteuses, de meilleure qualité et de surface supérieure, faisant ainsi du graphène une alternative importante à l'ITO pour produire des électrodes transparentes présentant une résistance beaucoup moins élevée. La production en masse de graphène de grande qualité L'utilisation du dépôt chimique en phase vapeur pour la production rouleau-à-rouleau à grande échelle de graphène a été démontrée pour la première fois en 2010. L'équipe du projet a utilisé cette méthode prometteuse pour faire croître à grande échelle des feuilles de graphène de haute qualité. «Dans un environnement contrôlé, les scientifiques ont fourni un mélange de méthane et d'hydrogène à une plaque en cuivre. Cela a entraîné une réaction chimique qui a conduit à la dissolution du méthane dans le cuivre. Lorsque la surface du cuivre est saturée, le graphène commence à se former et à s'étendre. Après avoir été refroidi, le graphène est transféré sur le substrat désiré par un porteur polymère. Cette structure à deux couches constituée du support polymère et du graphène est ensuite retirée de la plaque de cuivre et placée sur le substrat cible. Après avoir ôté le porteur polymère, la zone de l'électrode au graphène peut ensuite être structurée afin de permettre la fabrication de dispositifs électroniques», explique Beatrice Beyer, coordinatrice du projet. Même si le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) constitue l'une des meilleures méthodes pour produire du graphène, la production fiable en grand volume de graphène de haute qualité reste problématique. Les scientifiques de GLADIATOR y sont tout de même parvenus en optimisant les catalyseurs et en augmentant la couverture du substrat par les catalyseurs. «Une nouvelle technique basée sur l'utilisation d'un polymère de transfert hydrosoluble ((poly)vinylalcool) a permis à l'équipe du projet de transférer du graphène d'une longueur de 300 mm dans des films de protection au format A4, montrant qu'il était possible de réutiliser à cinq reprises les catalyseurs coûteux au cuivre, sans conséquence sur la qualité du graphène», poursuit le Dr Beyer. Les scientifiques ont également réalisé des progrès importants pour améliorer la conductivité du graphène en utilisant un dopage externe. Les dopants à base d'acide chloraurique et d'iode ont fourni la meilleure efficacité de dopage des matériaux testés, et des méthodes spéciales ont été développées pour améliorer leur stabilité. Un transfert fonctionnel du graphène Le transfert de grandes surfaces de graphène à partir de son substrat de croissance vers le substrat du dispositif constitue à la fois l'un des plus grands défis et l'un des principaux goulets d'étranglement pour sa commercialisation. L'équipe du projet a étudié différentes techniques de transfert, dont le transfert d'attaque, le transfert électrochimique par dégagement d'hydrogène, et un nouveau transfert électrochimique exploitant une oxydation et une réduction contrôlée du cuivre à l'interface entre le cuivre et le graphène. S'intéressant principalement à cette dernière technique, les scientifiques ont réduit d'un ordre de grandeur le délai moyen de délaminage pour des feuilles de grande taille et étudié la possibilité de retirer des feuilles plus petites et de les assembler pour former des surfaces continues plus importantes de «patchwork» en graphène. Évaluer les risques Pour la première fois, les scientifiques ont étudié dans un environnement de production les risques sanitaires potentiels qui pourraient être associés à la future production de graphène en grand volume. Les résultats ont montré qu'il n'y avait dans l'air qu'une concentration négligeable de particules de graphène. Des expériences in vivo ont montré que le graphène provoque une toxicité cellulaire et a des effets génotoxiques. Il est essentiel de produire des surfaces de graphène plus importantes pour assurer le succès commercial de ce matériau. Constitué de 16 partenaires, le consortium GLADIATOR a atteint la masse critique nécessaire pour développer une technologie améliorant la production de grandes surfaces de graphène. Le projet a déposé un brevet et publié plusieurs articles de haut niveau. Ses travaux pourraient avoir un impact socioéconomique majeur.
Mots‑clés
Graphène, panneaux lumineux OLED, électrodes transparentes, GLADIATOR, dépôt chimique en phase vapeur
