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Jul 24, 2023

Patricia Daukantas

Junyi Zhao, de l'Université de Washington à St. Louis, aux États-Unis, montre comment utiliser un simple stylo à bille pour écrire des LED personnalisées sur du papier. [Image : Wang Lab, Université de Washington à Saint-Louis]

Beaucoup de gens aiment noter leurs nouvelles idées avec un stylo et du papier. À l’avenir, ils pourraient dessiner ces idées sous la forme de LED personnalisées sur des ballons de fête, des vêtements ou même des capteurs médicaux personnalisés.

Des chercheurs américains ont développé un système permettant d'écrire des LED et des photodétecteurs sur de nombreux substrats ordinaires, du papier au caoutchouc et au tissu (Nat. Photon., doi : 10.1038/s41566-023-01266-1). L’équipe a rempli des stylos à bille ordinaires avec une « encre » spéciale contenant de minuscules fils métalliques et des nanocristaux de pérovskites, des semi-conducteurs polyvalents qui s’illuminent vivement sous la bonne stimulation. Les applications potentielles vont des capteurs portables flexibles et jetables aux textiles personnalisables et aux emballages intelligents, selon les chercheurs.

"L'expérience d'écriture reflète le flux naturel de l'écriture quotidienne", explique l'auteur principal Junyi Zhao, doctorant dans le laboratoire de Chuan Wang, professeur d'ingénierie à l'Université de Washington à Saint-Louis, aux États-Unis.

Les techniques éprouvées de fabrication de dispositifs optoélectroniques comprennent le revêtement par centrifugation, l'évaporation et la gravure, impliquant généralement des chambres à vide ou d'autres équipements spécialisés. Bien que certains scientifiques, dont Wang et ses collègues, aient essayé l'impression à jet d'encre et d'autres systèmes de dépôt plus simples comme substituts, le nettoyage et l'alignement des têtes d'impression à jet d'encre peuvent s'avérer fastidieux.

Il y a deux ans, Zhao et Wang ont lancé une encre optoélectronique à composé organique-inorganique composée de cristaux de pérovskite intégrés dans une matrice polymère flexible, et ils ont imprimé des circuits en introduisant le composé dans une imprimante à jet d'encre. Un humble stylo à bille, rempli de LED liquides au lieu de son encre d'origine, s'est avéré être un mécanisme de distribution encore plus simple, mais la formule de l'encre pérovskite devait d'abord être peaufinée.

Le logo de l'Université de Washington à Saint-Louis dessiné avec des « encres » LED multicolores sur une feuille d'aluminium. [Image : Wang Lab, Université de Washington à Saint-Louis]

Zhao dit que lui et ses collègues ont soigneusement réglé la rhéologie de l'encre, ou sa capacité à s'écouler, et sa capacité mouillante à produire des lignes uniformes sur de nombreuses surfaces différentes. L’équipe a également dû personnaliser les solvants afin que le fait de dessiner plusieurs couches d’encre optoélectronique au même endroit n’entraîne pas la dissolution des couches supérieures ou ne compromette pas celles du dessous.

« En ce qui concerne l'expérience d'écriture, nous avons examiné en profondeur l'impact de la force appliquée sur le stylo pendant le processus d'écriture, défini comme « écriture douce » et « écriture dure » », explique Zhao. « Notamment, la force appliquée au stylet ne compromettra pas la fonctionnalité de nos dispositifs optoélectroniques. Il est intéressant de noter que les techniques d’écriture douce et dure influencent efficacement la largeur du chemin d’écriture. L'écriture douce donne un chemin plus étroit, tandis que l'écriture dure donne un chemin plus large. Cette polyvalence en matière de pression d’écriture contribue à des résolutions de motifs personnalisables dans le périphérique final.

Étant donné que les LED dessinées à la main ont une structure sandwich verticale, les chercheurs ont travaillé dur pour maintenir les couches suffisamment séparées et d'épaisseur uniforme pour éviter les fuites de courant entre les électrodes supérieure et inférieure, explique Wang. "Cela est plus facile sur les surfaces planes et non absorbantes, comme le verre ou les films plastiques, mais devient particulièrement difficile sur les substrats fibreux et poreux, comme le papier et le textile", ajoute-t-il.

Selon Zhao, les chercheurs devaient prendre en compte le temps de séchage de leurs encres LED, car toute valeur de conception des images dessinées serait perdue si l'encre était maculée. Pour accélérer le séchage, l'équipe a incorporé divers solvants à faible point d'ébullition comme additifs, notamment l'isopropanol et le toluène. « Ces solvants ont effectivement abaissé le point d'ébullition de nos encres fonctionnelles », explique Zhao. « Par conséquent, le taux de séchage de certaines couches, telles que la couche électroluminescente en pérovskite, la couche tampon en polyéthylèneimine et l'électrode supérieure en nanofils d'argent, a été considérablement accélérée. En fait, dans certains cas, le séchage s’est produit rapidement ou immédiatement, éliminant ainsi toute période d’attente.