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国产OLED材料新突破 | 华南理工唐本忠院士团队研发天蓝光OLED,外量子效率提高至38%!

编辑:chinafpt 2021-11-30 10:23:04 浏览:1401  来源:

  近日,华南理工大学唐本忠院士团队的赵祖金教授和团队,研发出一类高性能天蓝光 OLED 材料,在论文正式发表前已经申请专利,以便后续落地到产业中。

  10 月 20 日,相关论文以《优化水平偶极取向以提高天蓝色延迟荧光分子的外量子效率至38.6%》(Boosting external quantum efficiency to 38.6% of sky-blue delayed fluorescence molecules by optimizing horizontal dipole orientation)为题,发表在 Science Advances 上[1]。

  图 | 相关论文(来源:Science Advances)

  赵祖金表示,这些高性能发光材料具有典型的聚集诱导发光(AIE)特性,相关光物理机制与 AIE 理论密切相关,此次成果给 AIE 研究领域再添一笔,也意味着 AIE 材料在光电器件应用方面取得了新的突破。

  利用分子水平偶极取向工程,提升 OLED 光取出效率

  为了实现高电致发光效率,科学家们努力提高发光分子的光致发光量子产率和激子利用率,而光取出效率的提升在分子设计中受到的关注相对较少。在该研究中,该团队通过分子的水平偶极取向工程,成功地提高了材料的光取出效率,最终使器件外量子效率有极大的提升。

  如何在材料设计上继续提升光取出效率,是该研究的难点。借此他们开发出一系列以吸电子基团羰基为核心的分子,同时引入螺吖啶和咔唑衍生物两种给电子基团,来提升分子水平偶极取向的比率,从而提高分子的光取出效率。

  图 | 研究中所设计的分子化学结构与几何构型示意图(来源:Science Advances)

  这些分子具有很强的天蓝色延迟荧光,并表现出优异的光致发光量子产率、大的水平偶极取向比率和平衡的双极载流子传输等突出优点。

  图 | 定制分子的光物理性质(来源:Science Advances)

  在非掺杂和掺杂的天蓝光 OLED 中可分别实现高达 26.1% 和 38.6% 的外量子效率,是目前文献中所报道的最高值。

  (来源:Science Advances)

  此外,该研究还实现了性能最好的非掺杂杂化白光 OLED 和全荧光单发射层白光 OLED,表明这些分子在 OLED 产业中具有巨大的应用潜力。

  图 | 天蓝光 OLEDs 的器件性能(来源:Science Advances)

  据悉,蓝光材料是发光材料领域的难点问题,相关材料的性能并不是很好,该研究所报道的天蓝光材料,很大程度上解决了目前蓝光材料选择匮乏、且性能不好的难题,为发光材料的设计提供了新方法。

  此外,利用理论计算方法,该研究揭示了所构建分子实现高性能 OLED 的机理。

  在这些分子中,羰基和螺吖啶通过苯基桥形成一个扭曲的 D-A 分子骨架,主导天蓝色延迟荧光的产生。由于 n-π* 跃迁的存在,羰基核有利于增强自旋轨道耦合效应(SOC,spin-orbit coupling)和反向系间窜越(RISC, reverse intersystem crossing)过程,从而促进延迟荧光的产生,提高激子利用率。

  图 | 一系列定制发光分子的理论计算(来源:Science Advances)

  此外,在这些分子中,分布于羰基核上的n轨道使得由 n-π* 跃迁控制的 T1态,比由 π-π* 跃迁主导的 S1 态对基质极性的变化更敏感;且 n-π* 和 π-π*跃迁在大极性环境中激发态和基态能极差的变化相反,一个增大一个减小。

  因此,在发光分子 S1 态的极性 > DPEPO(二苯基-4-三苯基甲硅烷基苯基氧,Bis[2-(diphenylphosphino)phenyl]ether oxide)主体材料的极性 > T1 态的极性的前提下,与非掺膜相比,发光分子在 DPEPO 主体中的 T1 能级的增量大于 S1,导致 ΔEST 值(S1与T1态的能量差值)降低。这种与 S1 态和 T1 态的极性,以及跃迁类型相关的主体材料调节效应,可用于有效地调节 ΔEST 值和延迟荧光特性。

  图 | S1 态和 T1 态的跃迁类型(来源:Science Advances)

  在羰基核的另一边引入咔唑单元时,几乎没有干扰最高被占据的分子轨道(HOMO),以及最低未被占据的分子轨道(LUMO)的电子结构。因此对延迟荧光性质没有破坏作用,但在一定程度上减弱了分子内电荷转移效应,使分子的发射发生蓝移。

  准确来说,咔唑类单元的存在,不仅对于增强热稳定性、防止发光猝灭和激子湮灭存在明显的积极影响,而且通过调节 HOMO-1 轨道的分布和分子的堆叠,还可影响载流子的迁移率。随着咔唑单元的增加,分子的电子迁移率略有变化,但空穴迁移率的变化相对较大,最终使分子具有非常平衡的电子和空穴传输能力。

  相关实验结果,不仅证明了这些发光分子在 OLED 中的巨大潜力,也揭示了这些分子采取的水平偶极取向工程,可能会给 OLED 带来新的突破。

  内容来源:DeepTech深科技 作者:多加

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