Qu'est-ce qui cause unDIRIGÉdevenir bleu ?
L'éclairage, les écrans et l'électronique modernes ont été complètement transformés par les-diodes électroluminescentes (DEL), qui offrent une efficacité énergétique, une durée de vie prolongée et une polyvalence que les ampoules à incandescence ou fluorescentes classiques ne peuvent égaler. La lumière bleue est devenue l’une des couleurs les plus couramment produites par les LED, et elle alimente tout, des phares LED aux écrans de smartphones en passant par les équipements médicaux. Cependant, qu’est-ce qui déclenche spécifiquement la lumière bleue émise par une LED ? Les matériaux utilisés dans leur fabrication, les décisions techniques délibérées et la physique de base du fonctionnement des LED détiennent tous la clé de la solution. Afin de comprendre ce phénomène, nous devons d'abord disséquer le processus de génération de lumière-des LED, puis examiner les éléments particuliers qui font pencher leur sortie vers la partie bleue du spectre électromagnétique.
Fondamentalement, les LED sont des dispositifs semi-conducteurs qui utilisent un processus appelé électroluminescence pour générer de la lumière. Les LED produisent de la lumière lorsque les électrons et les « trous » (porteurs de charge positifs) se recombinent dans un matériau semi-conducteur, contrairement aux ampoules à incandescence, qui produisent de la lumière en chauffant un filament-un processus inutile qui perd la majorité de l'énergie sous forme de chaleur. Voici comment cela fonctionne : les électrons du semi-conducteur de type "n- chargé négativement traversent une jonction dans le semi-conducteur de type "p- chargé positivement lorsqu'un courant électrique est fourni à la LED. Ces électrons libèrent de l'énergie sous forme de photons, ou de particules de lumière, lorsqu'ils frappent et remplissent les trous du matériau de type p-. L’énergie de la bande interdite du semi-conducteur détermine la teinte de cette lumière ; plus la bande interdite (la différence d'énergie entre la bande de valence du semi-conducteur, qui contient des trous, et la bande de conduction, qui contient des électrons), plus la longueur d'onde de la lumière libérée est courte. Les LED qui créent de la lumière bleue nécessitent des semi-conducteurs avec une bande interdite relativement large, car la lumière bleue a une longueur d'onde courte (450 à 495 nanomètres). Le principal et le plus important facteur influençant l’émission de lumière bleue est cet attribut matériel.
La création de semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) et d'alliages associés, notamment le nitrure d'indium et de gallium (InGaN), constitue l'avancée majeure de la technologie des LED bleues, récompensée par le prix Nobel de physique 2014. Étant donné que les matériaux semi-conducteurs typiques (tels que l'arséniure de gallium, utilisé pour les LED rouges et vertes) ont une bande interdite trop petite pour produire une lumière bleue à courte longueur d'onde -, les scientifiques ont eu du mal à développer desLED bleuesavant les années 1990. D'autre part, le GaN a une large bande interdite d'environ 3,4 électrons-volts (eV), ce qui correspond exactement à l'énergie nécessaire pour émettre de la lumière ultraviolette (UV). Les ingénieurs peuvent réduire la bande interdite en incorporant de minuscules quantités d’indium dans GaN pour créer InGaN. Cela déplace la lumière de sortie de l’ultraviolet au bleu en réduisant l’énergie de la bande interdite. Par exemple, une lumière d’une longueur d’onde d’environ 450 nm est émise par un semi-conducteur InGaN avec une bande interdite d’environ 2,7 eV, ce qui la rend idéale pour un éclairage bleu brillant. Étant donné que l'InGaN peut être allié pour ajuster la bande interdite, il est devenu le matériau standard pour les LED bleues. Les LED bleues (et les LED blanches qui en dépendent) ne seraient pas possibles sans les semi-conducteurs à base de GaN-.
La structure du puits quantique de la LED est un autre élément crucial qui permet la production de lumière bleue. Une fine couche de semi-conducteur (généralement InGaN) positionnée entre deux couches plus épaisses d’un autre semi-conducteur (généralement GaN lui-même) est appelée puits quantique. Les électrons et les trous à l'intérieur de la couche d'InGaN sont restreints, ou « piégés », d'une manière qui modifie leurs niveaux d'énergie car la couche est si fine-généralement seulement quelques nanomètres d'épaisseur. L'efficacité de la LED est augmentée par ce confinement, ce qui augmente la probabilité que les électrons et les trous se recombinent et produisent des photons. L'épaisseur et la composition du puits quantique sont soigneusement régulées pour les LED bleues ; un puits plus étroit ou une concentration d'indium plus grande peut affiner-la longueur d'onde d'émission sur la plage bleue requise. Par exemple, la lumière peut passer à 470 nm à partir d'un puits quantique InGaN de 3-nanomètres-d'épaisseur avec 20 % d'indium et à 460 nm à partir d'un puits de 5-nanomètres avec 15 % d'indium. Les LED bleues sont suffisamment lumineuses pour des applications pratiques, telles que les projecteurs LED haute puissance et les voyants lumineux des appareils électroniques, grâce à la capacité des puits quantiques à réduire la recombinaison non radiative, c'est-à-dire la perte d'énergie sous forme de chaleur plutôt que de lumière.
La lumière bleue peut également être un résultat inattendu des LED, notamment des LED blanches, même si de nombreuses LED sont spécialement conçues pour la créer. La majorité des LED blanches utilisent une technique de « conversion du phosphore », dans laquelle une puce LED bleue est recouverte d'un matériau phosphoreux jaune (généralement du grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au cérium-, ou YAG:Ce), car la lumière blanche ne peut pas être directement produite par un seul semi-conducteur (car elle nécessite un mélange de longueurs d'onde à travers le spectre visible). Une partie de la lumière bleue de la LED est absorbée et réémise sous forme de lumière jaune lorsqu'elle frappe le phosphore. À la vue humaine, la lumière bleue restante apparaît comme une lumière blanche car elle se mélange à la lumière jaune. Cependant, toute la lumière bleue n’est pas transformée si la couche de phosphore est inégale, excessivement fine ou de mauvaise qualité. Cela peut produire une lueur « blanc froid » ou « teintée de bleu -, typique des produits peu coûteux.Ampoules LEDou de vieux luminaires contenant du phosphore qui se sont détériorés avec le temps. Étant donné que la lumière bleue affecte la production de mélatonine, une lumière bleue excessive provenant des LED blanches peut occasionnellement provoquer une fatigue oculaire ou interférer avec les rythmes circadiens. Cela souligne l’importance d’une conception appropriée des phosphores. Cette lumière bleue inattendue est causée par une mauvaise intégration du phosphore plutôt que par un défaut dans la fonctionnalité fondamentale de la LED.
Bien qu'elles ne « provoquent » pas en premier lieu la création de lumière bleue par la LED, les conditions environnementales peuvent également affecter l'intensité ou la manière dont une LED semble émettre de la lumière bleue. La bande interdite du semi-conducteur peut s'élargir considérablement lorsque les LED chauffent (un problème courant dans les applications à haute-puissance), déplaçant la longueur d'onde d'émission vers l'extrémité rouge du spectre. Ceci est un exemple de l’impact de la température sur les performances des LED. Cela pourrait entraîner un léger changement de longueur d'onde pourLED bleuesde 450 nm à 455 nm, ce qui est à peine perceptible à l'œil nu mais quantifiable avec des instruments. D'un autre côté, certaines LED hautes-performances (telles que celles que l'on trouve dans les projecteurs) disposent de systèmes de refroidissement, car leur fonctionnement à des températures plus basses peut améliorer leur efficacité et leur production de lumière bleue. La densité de courant est une autre considération. Bien que la luminosité d'une LED bleue puisse être augmentée en augmentant son courant électrique, un courant excessif peut entraîner une « baisse d'efficacité » ou une diminution du rendement lumineux par unité de courant. Un courant excessif dans des situations extrêmes peut endommager la structure du puits quantique, entraînant soit une défaillance totale, soit un changement de couleur permanent incluant une émission accrue de lumière bleue. Bien que ces conditions externes puissent altérer les performances d'une LED au fil du temps, elles n'altèrent pas la capacité intrinsèque de la LED à créer de la lumière bleue.
En conclusion, les trois principales causes de l'émission de lumière bleue par les LED sont l'énergie de bande interdite du matériau semi-conducteur, l'application d'alliages à base de GaN- (tels que l'InGaN) qui permettent une lumière à courte longueur d'onde - et la structure du puits quantique qui améliore l'efficacité et ajuste la longueur d'onde d'émission. Alors que la lumière bleue indésirable (comme dans certaines LED blanches) résulte de problèmes liés au phosphore-, les LED bleues intentionnellement conçues utilisent des principes similaires pour fournir une lumière bleue brillante et efficace pour des applications particulières. Bien qu’elles puissent avoir un impact sur les performances, les conditions environnementales telles que la température et le courant ne modifient pas le mécanisme fondamental de l’émission de la lumière bleue. Connaître ces raisons non seulement clarifie l'existence deLED bleuesmais attire également l'attention sur les progrès techniques qui leur ont permis, des progrès qui continuent de faire avancer l'éclairage, les écrans et les énergies renouvelables. Les chercheurs étudient de nouveaux matériaux (tels que le nitrure d'aluminium et de gallium pour une lumière bleue ou UV plus profonde) et des conceptions visant à accroître l'efficacité deLED bleuesà mesure que la technologie LED progresse. Cela pourrait conduire à de nouvelles applications dans les domaines de la thérapie médicale, de la purification de l'eau et des écrans de nouvelle-génération.
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