Nouveaux matériaux pour des LED blanches éco-efficientes : hétérostructures à base de nanofils de ZnO et luminophores d'aluminoborates sans terres rares

New materials for eco-efficient white LEDs : ZnO nanowire-based heterostructures and rare-earth-free aluminium borates phosphors

• Auteur / Autrice : Pierre Gaffuri
• Direction : Vincent Consonni, Estelle Botzung-Appert, Mathieu Salaün
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 05/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Lérondel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachid Mahiou, Bruno Masenelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Jubera, Daniel Lincot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérostructures

Semiconducteurs

Luminophores

Nanofils

Diodes électroluminescentes organiques

Mots clés libres

LED pour l'éclairage

Nanofils de ZnO

Luminophores aluminoborate

Semi-Conducteurs

Hétérostructures

Matériaux critiques

LED lighting

ZnO nanowires

Aluminoborate phosphors

Semiconductors

Heterostructures

Critical materials

Résumé

L’implémentation généralisée de diodes électroluminescentes blanches (wLED), basées sur l’électroluminescence bleue d’une LED et la photoluminescence jaune d’un luminophore, représente une opportunité majeure de réduction de la consommation énergétique mondiale. Les performances des wLED reposent sur des matériaux considérés comme critiques par les mondes politiques et scientifiques, comme les nitrures de gallium et de gallium/indium pour la LED bleue, et le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au cérium pour le luminophore. La synthèse de ces matériaux nécessite des techniques de dépôt physique et chimique coûteuses et à haute température. C’est dans ce contexte qu’ont été étudiés deux matériaux non critiques et fabriqués par des méthodes de chimie douce : les réseaux de nanofils de ZnO comme semi-conducteurs de type n, et les poudres d’aluminoborate comme luminophore. D’une part, les mécanismes de dopage extrinsèque et la modification associée de la croissance des nanofils de ZnO par dépôt en bain chimique ont été examinés, montrant les rôles dominants du pH et de la concentration en précurseurs. Les défauts et complexes de défauts incorporés au sein des nanofils de ZnO, cruciaux du point de vue applicatif, modifient largement leurs propriétés optiques et électriques. Leur croissance épitaxiale sur des couches minces de GaN de type p forme des hétérojonctions dont les propriétés d’électroluminescence sont évaluées. D’autre part, les poudres luminophores à base d’aluminoborate ont été synthétisées par la méthode Pechini, en substituant l’yttrium habituellement présent dans les particules amorphes. L’optimisation des nouvelles compositions chimiques et des traitements thermiques offre une émission spectrale large, dont le rendement quantique interne de luminescence dépasse 60 %. Cette étude permet une meilleure compréhension du piégeage d’espèces carbonées, et de leur rôle dans la luminescence. Finalement, l’intérêt des consommateurs pour de telles structures sans matériaux critiques et à basse énergie grise est mesuré et offre des perspectives optimistes pour leur développement.

The widespread implementation of white light-emitting diodes (wLEDs), based on the blue electroluminescence of an LED and the yellow photoluminescence of a phosphor, represents a major opportunity to reduce global energy consumption. The performances of wLEDs are based on materials considered as critical, such as gallium and gallium/indium nitrides for the blue LED, and cerium doped yttrium aluminium garnet for the phosphor. The synthesis of these materials require costly and high-temperature physical and chemical deposition techniques. In this context, new non-critical materials have been studied and manufactured by soft chemistry methods: ZnO nanowires array as n-type semiconductor, and aluminoborate powders as phosphor. On the one hand, the mechanisms of the extrinsic doping and related modification of the growth of ZnO nanowires deposited by chemical bath deposition were investigated, showing the dominant roles of pH and precursor concentrations. Defects and complex defects incorporated in ZnO nanowires, crucial from an application point of view, greatly modify their optical and electrical proprieties. Their epitaxial growth on p-type GaN thin films forms heterojunctions whose electroluminescence properties are evaluated. On the other hand, aluminoborate-based phosphors powders were synthesized by the Pechini method, by substituting yttrium, usually present in the amorphous particles. The optimization of the new chemical compositions and thermal annealing offers a broad emission whose internal quantum luminescence efficiency exceeds 60 %. This study provides a better understanding of the trapping of carbon species, and their role in the luminescence. Eventually, consumer interest in such structures without critical materials and with low embodied energy is measured and offers optimistic prospects for their development.