ANR ZEOLIGHT
Projet
La production efficace de la lumière blanche est primordiale pour les applications industrielles, publiques et domestiques. Les LED émettant dans l’UltraViolet Profond (Far UltraViolet) avec leur faible besoin énergétique sont indispensables pour la production de la lumière blanche. Grâce à sa
large bande interdite et ses propriétés d’émission exceptionnelles dans l’UV, le nitrure de bore est le matériau de choix pour les sources de lumière dans le FUV. Le but du projet est d’élaborer des composites BN/zéolithe proposant des propriétés améliorées par rapport aux matériaux BN conventionnels. Les composites, composés de nanofils ou de nanorubans de BN à la structure contrôlée confinés dans les canaux sous nanométriques 1-D, 2-D ou 3-D des zéolithes TON ou MFI, par exemple, seront préparés en insérant des précurseurs moléculaires de BN dans des zéolithes sous haute pression. Cette étape sera suivie d’une pyrolyse sous atmosphère controllée pour obtenir le composite. Le fort confinement donnera lieu à des propriétés photoniques exceptionnelles avec une émission étroite dans le FUV. Le composite fait d’un BN sera intégré dans un prototype pour fournir une preuve de concept du dispositif LED FUV. Le prototype sera testé avec des phosphores conventionnels pour produire de la lumière blanche. Des solutions de repli concernant le choix de matériaux et des procédés sont proposées pour chaque étape du processus. Ce Projet de Recherche Collaborative est constitué par des équipes de recherche complémentaires de chimistes de l’Institut Charles Gerhardt Montpellier et l'Institut de Recherche sur les CERamiques (IRCER), l'ex-SPCTS, et de physiciens du Laboratoire Charles Coulomb, reconnues au niveau international dans les domaines de la synthèse du BN et des zéolithes, la science haute pression, la photonique, les méthodes spectroscopiques et les calculs ab initio. Au niveau national, les trois groupes sont au premier rang dans leurs domaines respectifs : la synthèse de BN à partir des précurseurs moléculaires, le remplissage des pores des zéolithes sous haute pression, les propriétés photoniques de BN. Cela a donné naissance au partenariat à l’origine du projet PRC. Les partenaires ont une longue histoire de collaboration et plusieurs publications en commun. Ce projet va contribuer à structurer l’activité de recherche sur les composites en France. L’impact principal du projet du point de vue technique sera la fabrication du prototype de LED FUV. Ces LED FUV sont des candidats pour la production de la lumière blanche avec une faible consommation d’énergie. En termes de « Technological Readiness Level », ce projet commence au TRL1 pour aboutir au TRL3 avec le prototype LED FUV. Les applications des LED à base de BN couvrent une large gamme spectrale de l’UVC à l’UVA car le dopage de BN permet de moduler le signal de photoluminescence. Cela ouvre la porte à de nouvelles applications industrielles et de partenaires pour le développement de ces LED. Les applications militaires comme les communications à courte distance dans des conditions atmosphériques difficiles concernent en particulier les grandes entreprises internationales comme Thales ou SAGEM. Un autre besoin est le remplacement des lampes UV lourdes et encombrantes dans les satellites qui concerne les entreprises citées ci-dessus et d’autres comme EADS. Pour d’autres applications dans les domaines de l’environnement, de la santé ou des procédés technologiques impliquant des espèces inorganiques ou organiques, les entreprises concernées par ces secteurs d’activité pourraient être intéressées. En tenant compte de la production de la lumière blanche avec des phosphores, l’éventail de partenaires industriels potentiels est si large que nous pensons que la meilleure manière de procéder est de déposer un brevet, le Pôle Européen de la Céramique, le FIST ou la SATT nous aideront ensuite à trouver des partenaires pour valoriser les résultats.
Projet
The energy efficient production of white light is a major technological issue for industrial, public and domestic use. Far UltraViolet Light Emitting Diodes with characteristic low energy consumption are needed for the production of light covering the full visible spectrum. Due to its high band gap and record UV light emission properties, boron nitride is a material of choice for the next generation of FUV light sources. The goal of this project is to prepare BN/zeolite composites with improved and new properties compared to bulk analogs. These composites consist of BN nanowires and nanoribbons with controlled structure confined in the 1-D, 2-D and 3-D subnanometer channels of the
zeolites TON and MFI, for example, prepared bottom-up by insertion of molecular BN precursors such as ammonia borane and borazine in zeolites at high pressure. This step is followed by pyrolysis under controlled atmosphere to obtain the final composite. The structural, vibrational and optical properties of the composites (which could be doped by carbon) will be carefully characterized by x-ray diffraction and spectroscopic techniques. The strong confinement will provide exceptional photonic properties with a narrow emission in the FUV. The nanocomposites will then be integrated in a prototype providing a proof of principle of the FUV LED device, which will be used to produce white light using conventional phosphors. Back up options concerning the choice of materials and processes are proposed for each step on the way to this overall goal. This collaborative research proposal (PRC) is based on complementary research teams in chemistry from the Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM) and l'Institut de Recherche sur les CERamiques (IRCER), ex-SPCTS, and physics, from the Laboratoire Charles Coulomb (L2C), which are internationally renowned in the synthesis of BN and zeolite, high pressure science, photonics, x-ray diffraction, spectroscopic methods and ab intio calculations. On a national level, the members of the three groups are leaders in the respective fields of boron nitride synthesis from molecular precursors, the pore filling of zeolites at high pressure and the photonic properties of BN structures. This naturally gave rise to this partnership at the origin of the PRC project. The partners have a strong track record of collaborations and joint publications. The principal impact of the project from the technological point of view will be the proof of principle of the FUV LED device. Such devices will be candidates for the energy-efficient production of white light and thus contribute to the reduction of energy consumption. In terms of the technological readiness level (TRL), this project starts from TRL1 and proceeds up to TRL3 with the FUV LED prototype. The applications of BN-based LEDs cover the wide range of UVC to UVA spectral regions as doping of BN permits to modulate the photoluminescence. There are thus industrial applications and partners that can be a priori targeted to continue the development of these new LEDs. Military applications for short-distance communication in atmospherically disturbed conditions can interest international companies like Thales or SAGEM. Another need is the replacement of bulky and heavy UV lamps in satellites, which should be of interest for the companies cited above or others such as EADS. For environmental, medical and industrial chemistry applications, different companies operating in these industrial sectors should be interested. When including white light production using conventional phosphors, there are a vast number of possible end users and thus we will first patent the device and then consult le Pôle Européen de la Céramique, FIST or the SATT to find partners ready to exploit the results.
