基于热活化敏化荧光发光新机制的有机发光二极管高效激子利用新策略

科技工作者之家 2019-09-08

来源:X一MOL资讯


有机发光二极管(organic light-emitting diodes, OLEDs)目前被广泛应用于高端智能手机,高分辨率电视等显示领域,市场规模在不断扩大。OLED性能快速提升的核心在于发光材料的更新换代。目前OLED主流的发光染料主要是基于金属配合物的磷光染料,然而,由于贵金属的存在,该类染料价格较高,增加了器件成本。因此,寻求新一代的纯有机发光体系是促进OLED技术进一步发展的关键,也是该领域当前研究热点。其中,由清华大学的段炼团队率先提出的热活化敏化荧光(TSF)发光新机制,利用热活化延迟荧光材料(thermally activated delayed fluorescence, TADF)作为传统荧光染料的敏化主体,可实现高效稳定的全荧光OLED,有望成为新一代的发光体系。近日,该团队在前期工作的基础上,进一步分析调控基于TSF机制OLED发光层中宽带隙主体和TADF敏化剂之间的相互作用,系统的揭示了激子损失途径,并为高效的TSF-OLED的制备指明了方向。

TSF-OLED器件发光层一般由三元体系构成:宽带隙主体、TADF敏化剂和传统荧光染料(CFD)。理想情况下,TADF敏化剂将体系中三线态(T1)上转换为单线态(S1)进而将能量通过Forster方式传递给CFD单线态发光,实现100%的激子利用率。然而,体系中激子会通过生成CFD三线态从而损失掉,降低器件效率。CFD三线态的生成主要是可分为两个部分,一是载流子在CFD直接复合产生,二是通过主体或者TADF敏化剂到CFD的Dexter能量传递生成。因此,调控主体和TADF敏化剂的相互作用从而减小激子损失是提升TSF-OLED效率的关键。

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针对此,清华大学团队同时考虑宽带隙主体类型(TADF或non-TADF)和载流子复合位置(在宽带隙主体或TADF敏化剂上),构建了四种类型的TSF-OLEDs,系统地研究了主体与TADF敏化剂相互作用对器件性能的影响。他们分析发现,在宽带隙主体具有TADF性质且载流子复合物发生在该主体上时,可以形成多通道敏化途径。该途径可增强体系中Forster能量传递的敏化途径,并抑制Dexter能量传递减小激子损失,从而提升器件效率。

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他们设计合成了3种新型宽带隙主体材料,并选用传统主体CBP作为对比,构筑了上述4种类型的器件。通过研究器件在电致下的瞬态衰减,直接证明了I型器件中从TADF主体S1→CFD S1和TADF主体S1→TADF敏化剂S1→CFD S1的多通道敏化途径的形成。基于多通道敏化的I型器件实现了23.2%/ 76.9 lm / W的最大外部量子效率(EQEmax)/功率效率(PEmax),显著优于其他三种类型器件。通过对I型TSF-OLED中电子传输材料的进一步优化,器件EQEmax和PEmax分别达到了24.2%和89.5 lm/W,同时器件半衰期在2000 cd/m2起始亮度下超过了400小时。

该工作系统地揭示了多通道敏化途径的形成条件和优势,为设计更高效的TSF器件开辟了新途径,有望推动该技术的产业化进程。相关成果近期发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者是清华大学博士研究生宋晓增,通讯作者为段炼教授和张东东助理研究员。


段炼博士简介

段炼,清华大学化学系教授。1998年本科毕业于清华大学,2003年获得清华大学理学博士学位。长期从事有机光电材料相关领域研究,提出了热活化敏化发光的新型发光机制,发展了高迁移率的双极性传输材料和基于稳定前驱体的电子注入材料,为高效稳定的OLED技术奠定了基础。在Nat. Commun., Adv. Mater., Light. Sci. Appl., Energ. Environ. Sci.等刊物上发表了SCI论文200余篇,引用5000余次,获授权国际国内发明专利90余项,在SID、FPD China等国际国内学术会议上作大会报告和邀请报告50余次。2011年获得国家技术发明一等奖(排名第二);2015年获国家自然科学基金委杰出青年基金资助。2015年至今担任科技部十三五“战略先进电子材料”重点专项专家。


张东东博士简介

张东东,清华大学化学系助理研究员。2011年本科毕业于吉林大学,2016年获得清华大学理学博士学位,2017年9月-2018年9月于日本京都大学做博士后研究。长期从事有机光电材料与器件相关研究。率先系统研究了热活化敏化发光的新型发光机制,并进一步提出了多通道敏化的策略提升了器件效率;利用大位阻基团包覆的策略,设计开发了高效稳定的蓝光热活化延迟荧光材料,并将该类材料引入到白光器件中,为高效稳定的白光OLED技术提供了相关的理论指导。近五年在Adv. Mater.; Light. Sci. Appl.; Mater. Horizon.; Adv. Funct. Mater.等刊物上发表SCI论文40余篇,引用1000余次;获授权国际国内发明专利20余件。

来源:X-molNews X一MOL资讯

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