A biomimetic approach for improved light extraction from solid-state sources: from fireflies to light-emitting diodes

Résumé

Les diodes électroluminescentes ont reçu un intérêt croissant de la part des ingénieurs, physiciens, industriels et consommateurs, depuis leur première utilisation. Leur efficacité interne élevée, c’est-à-dire le taux de conversion élevé de courant injecté en lumière émise, les place en bonne position pour remplacer les sources lumineuses incandescentes et fluorescentes. Une limitation persiste néanmoins sur l’efficacité globale de la diode: les matériaux actifs ont des indices de réfraction élevés par rapport au milieu émergent (l’air), ce qui limite considérablement l’extraction de lumière, et ainsi l’efficacité externe, à cause du phénomène de réflexion totale. Ce manque d’efficacité externe a généré une activité de recherche considérable avec une grande variété d’approches différentes pour résoudre le problème: cristaux photoniques, structures photoniques dans et au dessus du milieu actif, couches d’indice de réfraction adaptative pour réduire le contraste élevé entre le milieu incident et émergent. L’organe bioluminescent d’une luciole du Panama est utilisé comme source d’inspiration pour l’amélioration de l’efficacité d’extraction de lumière des diodes dans la recherche présentée dans ce manuscrit. La lumière émise par les lucioles est générée chimiquement dans son organe bioluminescent, qui présente un matériau dense par rapport à milieu émergent (l’air). Pendant les millions d’années d’évolution, l’organe bioluminescent a pu avoir le temps d’améliorer son fonctionnement interne ainsi que l’extraction de lumière, c’est-à-dire son efficacité externe. L’étude morphologique de la lanterne a montré différentes structures qui peuvent influencer la propagation de la lumière entre l’organe émetteur et l’air libre. Les écailles inclinées forment un réseau micrométrique, bidimensionnel et asymétrique. Les simulations associées montrent que cette structure augmente considérablement l’extraction de lumière. Une analyse similaire est conduite pour deux modèles inspirées: une structure triangulaire (bidimensionnelle et symétrique), ainsi qu’une structure pyramidale (tridimensionnelle et symétrique). Les simulations permettent de conclure que la structure à écailles inclinées de la luciole est la mieux adaptée à la fabrication. Dans le cadre d’une collaboration avec des experts en microélectronique, la structure à écailles inclinées, inspirée par les lucioles, a été adaptée pour augmenter l’efficacité d’extraction de lumière d’une diode basée sur le GaN. La mesure réalisée confirme la tendance prédite par les simulations.

la date de réponse	25 avr. 2013
langue originale	Français
L'institution diplômante	Universite de Namur
Superviseur	Jean-Pol VIGNERON (Promoteur), Dimitri D. DEHEYN (Jury), Laurent Francis (Jury), Serge Berthier (Jury), Olivier Deparis (Jury) & Laurent Houssiau (Président)