發(fā)光學報 | 紫外/深藍OLED發(fā)光材料研究進展

2023-03-29 11:55

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

華南理工大學唐本忠院士團隊王志明研究員課題組在《發(fā)光學報》（EI、Scopus、中文核心期刊）2023年第1期發(fā)表了題為“紫外/深藍 OLED 發(fā)光材料研究進展”的綜述文章，梳理了現(xiàn)階段獲得高效藍紫光有機發(fā)光材料的四大關(guān)鍵科學問題（光色純度與有效共軛長度、寬禁帶與載流子注入/傳輸、器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與選擇、材料耐久性要求），依據(jù)發(fā)光機制匯總了近十年來應用于OLED的紫外/深藍發(fā)光材料；另外，從目前較為活躍的材料設計理論中，優(yōu)選“熱激子”理論和“雜化激發(fā)態(tài)”策略展示了目前其在高色純度藍紫光材料中的優(yōu)勢，分析了目前激子能級調(diào)控策略的發(fā)展方向。

有機電致發(fā)光二極管（Organic light-emitting diodes，OLED）具有柔性、低能耗、高分辨率等獨特優(yōu)勢，在固態(tài)照明和平面顯示等領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化應用。有機電致發(fā)光材料，特別是藍紫光材料，是推動OLED普遍商業(yè)化的重要因素。深藍光是實現(xiàn)高效節(jié)能OLED 的關(guān)鍵，紫外光材料在醫(yī)學、環(huán)境、防偽等領(lǐng)域有著廣泛的應用。為推動寬禁帶發(fā)光材料的設計和相關(guān)理論的完善和發(fā)展，必須明確電致發(fā)光和光致發(fā)光機制的差異（圖1（a））。在分子設計方面，寬禁帶發(fā)光材料的本質(zhì)特點給器件載流子的注入和傳輸增加了難度，采用扭轉(zhuǎn)的給-受體結(jié)構(gòu)（圖1（b））可以提高載流子注入的同時控制共軛長度。此外，藍紫光材料對于器件結(jié)構(gòu)較為挑剔，對于各個功能層的要求較高，圖1（c）展示了常用的OLED器件結(jié)構(gòu)。

圖1：（a）光致發(fā)光與電致發(fā)光；（b）ICT 效應在 D-A 構(gòu)型與非 D-A 構(gòu)型中的不同表現(xiàn)；（c）有機電致發(fā)光二極管的常見結(jié)構(gòu)

本文梳理了現(xiàn)階段獲得高效藍紫光有機發(fā)光材料的四大關(guān)鍵科學問題（光色純度與有效共軛長度、寬禁帶與載流子注入/傳輸、器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與選擇、材料耐久性要求），將近十年來電致發(fā)光峰位在430 nm以下的藍紫光材料依據(jù)發(fā)光機制劃分為磷光（圖2）、傳統(tǒng)熒光（圖3）、三線態(tài)-三線態(tài)湮滅（圖4）、熱活化延遲熒光（圖5）、“熱激子”材料（圖6、圖7），增補介紹了含有聚集誘導發(fā)光（Aggregation-induced emission，AIE）特性基團（圖8）以及含多重共振結(jié)構(gòu)（圖9）的材料。

對于藍紫光化合物來講，由于磷光材料很難達到如此高的三線態(tài)能級，所以材料種類并不常見，圖2展示了銥配合物異構(gòu)體藍光材料。

圖2：紫外/深藍光磷光材料

圖3：部分紫外/深藍光傳統(tǒng)熒光材料

電致發(fā)光過程中，高的激子利用效率是提高效率的關(guān)鍵，具有三線態(tài)-三線態(tài)湮滅特性的熒光材料理論上可以達到62.5%的激子利用率；而熱活化延遲熒光則是通過促使電致發(fā)光過程中更多的三線態(tài)激子通過反系間竄躍（Reverse intersystem crossing，RISC）過程躍遷到單線態(tài)；通過高效地捕獲三線態(tài)激子，可以使得激子利用率理論上達到100%，兩種機制下均存在諸多高性能的藍紫光材料。

圖4：具有三線態(tài)-三線態(tài)湮滅特性的深藍光熒光材料

圖5：紫外/深藍光熱活化延遲熒光材料

目前較為活躍的材料設計理論中，“熱激子”理論和“雜化激發(fā)態(tài)”策略在藍紫光材料構(gòu)筑中較有優(yōu)勢。文章詳細介紹了其在高色純度材料構(gòu)筑中的優(yōu)勢，圖6展示了部分“熱激子”紫外/深藍材料。

圖6：部分“熱激子”紫外/深藍材料

另外，隨著對深藍光發(fā)光核心菲并咪唑構(gòu)效關(guān)系的深入研究（圖7（a）、（b）、（c）），在多個課題組及本課題組的研究基礎上，我們逐步形成 “交叉長短軸”（Crossed long-short axis，CLSA）的分子設計理念（圖7（d）），并嘗試其與局域（Locally excited，LE）激發(fā)態(tài)/電荷轉(zhuǎn)移（Charge transfer，CT）激發(fā)態(tài)的能級分布結(jié)合，逐步借助熱激子和雜化局域電荷轉(zhuǎn)移分子設計平臺，發(fā)展利用LE態(tài)（S1）的高發(fā)光效率和高能級CT態(tài)RISC的高激子利用率的優(yōu)勢，制備出了系列高效率的 OLED 材料（圖7（e）、（f））。

圖7：（a）激發(fā)態(tài)下LE和CT組分的調(diào)控；（b）平衡的 LE/CT 態(tài)分布有利于同時提高發(fā)光效率和激子利用率；（c）靜水壓下LE和CT態(tài)的逐步混合和切換；（d）“交叉長短軸”概念圖；（e）基于2Na-CzCN的OLED實現(xiàn)了高亮度下幾乎可忽略不計的效率滾降；（f）高效近紫外光2MCzCNMCz作為新型通用功能性主體材料的應用

含有AIE特性基團的材料在聚集態(tài)下往往具有較高的熒光量子產(chǎn)率，能夠有效避免由分子密堆積導致的熒光猝滅，因此，引入AIE特性基團成為成就分子高熒光量子效率的重要手段。王筱梅教授課題組與秦安軍教授課題組分別報道了具有聚集誘導增強發(fā)光（Aggregation-induced emission enhancement，AIEE）特性的紫外光材料Compd.3與具有聚集增強發(fā)光（Aggregation-enhanced emission，AEE）特性的紫外光材料TPBCzC1、TPBCzC2、TPBCzC3。