“光”尽其用——双发射蓝光激基复合物主体实现高效全辐射白光OLED

固态照明领域中,有机电致发光技术在高效低成本、环境友好和便于大面积制备等方面均具有突出的优势。经过数十年的发展,基于磷光(Phosphorescence, PH)和热激发延迟荧光(Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF)技术的白光有机电致发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)已经能够实现与无机白光LED相当的性能,但白光OLED在简化结构、降低成本和提高成品率等方面仍存在极大的挑战,因此也制约了OLED照明的实际应用。白光OLED是基于多辐射体系,既由多个不同颜色的发光体(一般为红绿蓝三色或蓝黄互补色)同时发光构成白光。但是,荧光(Fluorescence, FL)、磷光和热激发延迟荧光这三类主要的电致发光体均为单激发态发光,即要么单重态(S1)、要么三重态(T1)激发态可辐射跃迁,当激子处于非辐射激发态时,必须通过有效的能量传递过程加以利用,否则将被非辐射损耗。这就迫使白光OLED往往采用复杂的器件结构对能量传递过程和激子分配进行细致精确的优化,从而直接导致了成本升高和重复率下降等上述问题。那么,如果能够实现全激发态辐射,就有望通过大大简化的器件结构实现高效白光发射。

双发射材料是继荧光(Fluorescence, FL)、磷光和热激发延迟荧光材料之后第四类可实现100%激子利用率的新型电致发光材料。由于双发射材料的S1和T1态均可辐射跃迁,因此可以实现单重态和三重态激子之间的动态分配,从而有效提升激子利用效率和发光量子产率。显然,当以此类双发射材料为蓝光主体、以黄光磷光材料作为客体时才有可能实现全辐射白光(Full-Radiation White Emission, FRWE)。尽管黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室许辉教授领导的磷基光电材料课题组于2016年报道了首个双发射OLED(Adv. Mater. 2016, 28, 5975),大部分双发射材料为金属配合物,因而不具有良好的主体特性。为了开发具有双发射行为的新型材料,并将蓝光发射和主体特性统一起来,他们将关注点集中到激基复合物体系。激基复合物中给受体间的排列取向与其优势激发态直接相关,即面对面和面对边排列分别对应于单重态和三重态激基复合物。

利用这一性质,黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室许辉教授领导的磷基光电材料课题组以9,9′-(1,3-苯基)二-9H-咔唑(mCP)和4,4′,4”-三(二苯基次膦酰基)-三苯基三嗪(pTPOTZ)为给受体构建了首个具有双发射特性的蓝光激基复合物mCP:pTPOTZ。通过真空蒸镀技术制备的mCP:pTPOTZ薄膜中给受体通过随机排列形成单重态和三重态激基复合物的均匀混合体,从而表现出典型的双发射行为。其蓝光发光中自激荧光(Prompt Fluorescence, PF)、延迟荧光(Delayed Fluorescence, DF)和PH比例约为4:5:3。mCP:pTPOTZ的光致发光和电致发光效率分别达到65%和11%,成为少数几个高效蓝光激基复合物体系之一。同时,mCP:pTPOTZ表现出突出的主体性能,其以乙酰丙酮酸二(4-苯基-噻吩[3,2-c]吡啶-C2,N)合铱(III)(PO-01)为客体的黄光磷光器件取得了91.8 lm W-1 and 23.4%的最大效率。

最为重要的是,以mCP:pTPOTZ为蓝光主体、以PO-01为客体构建的三层白光OLED实现了基于激基复合物体系的白光器件所取得的最佳性能。这一简单器件具有极低的驱动电压,达到1000 cd m-2的照明亮度仅需4.3 V,使其能够应用于便携式照明设备。同时,最大功率效率达到91 lm W-1,与无机LED相当。由于mCP:pTPOTZ的S1和T1态和PO-01的T1态均参与白光发射,器件的激子利用效率达到了100%。与黄光器件相比,白光OLED的效率滚降有显著改善,进一步证明了在“全辐射白光”机理中mCP:pTPOTZ的T1态对于激子动态分配的重要作用。尤为值得一提的是,在最佳的0.5%PO-01掺杂浓度下,器件的色坐标为(0.43, 0.49),这与标准暖白光的(0.45, 0.41)大致相当。与商用LED白光灯的光谱相比,其电致发光光谱中不包含400-430 nm的深蓝光,具有更好的护眼功能,且并不影响其发光质量。由于这一白光OLED仅使用四种材料,PO-01的浓度仅为0.5%,因此在成本和可重复性方面有突出的优势。加之激基复合物所特有的容易构建和剪裁等优势,这一工作不仅极大扩展了双发射材料库,并且在突破激基复合物白光器件应用瓶颈的同时将切实推动OLED照明技术的产业化发展。相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201800437)上。

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