Advanced Optical Materials:刚柔相济—高效率AIE型深红/近红外OLED器件

人类对“光”的追求永不止步——大到宇宙天体发光,小到细菌生物发光。目前,很多传统的有机发光材料只能在低浓度的溶液中才能发光,一旦溶液浓度提高或者呈固态时,分子聚集就会使得发光减弱甚至完全消失。这种现象被称为“聚集导致发光淬灭”(ACQ),是有机发光材料设计和应用的一大难题。2001年唐本忠院士报道的聚集诱导发光(AIE)概念可以有效地克制ACQ效应,使得AIE有机发光材料在有机光电、生物成像、荧光传感器领域都有着巨大的应用前景。

有机发光二极管(OLED)作为第三代显示技术因其巨大的经济效益备受关注。作为OLED发光层的核心材料,传统的有机发光材料同样遭受着ACQ效应的困扰。AIE材料因聚集荧光增强的独特优势将在OLED技术中扮演着重要的角色。然而,AIE材料的非平面结构基元不利于OLED器件中载流子的迁移,加之有限的激子利用率,导致AIE型OLED器件的外量子效率(EQE)不佳。“金木水火以刚柔相济,然后克得其和,能为民用”,受古代哲学思想的启发,华南理工大学唐本忠院士、王志明研究员团队在有机红外/近红外(IR/NIR)聚集诱导发光分子中引入“热激子”策略,结合刚柔相济的分子设计改善载流子迁移,成功地获得了效率高、滚降低、辐照度高的DR/NIR-OLED器件。以“热激子”理念指导三重态(T)激子调控,通过构筑大的三重态 “挡板效应”以抑制T激子的内转换过程,辅以小的单重态-三重态能垒以促进反向隙间穿越(RISC)通道,从而提高AIE材料的激子利用率。结合“刚柔相济”的分子设计策略,以萘并噻二唑为核心电子受体,在其一侧引入“转子型”三苯胺电子给体,赋予材料AIE性质;在另一侧引入平面型菲并咪唑(PPI)单元,诱导分子堆积从而提高器件中载流子传输。为了进一步探讨平面结构单元的引入对器件效率提升的影响,在PPI结构中引入位阻型叔丁基官能团,从而破坏分子间堆积作用。通过表征该体系材料的光物理性质并结合理论模拟计算,结果表明,强化分子内“电子效应”及分子间“位阻效应”均可提高材料的荧光量子效率,并且强化分子内“电子效应”更有利于AIE-OLED器件性能的提高,主要归因于平面单元诱导分子堆积提升载流子传输及“挡板效应”改善T激子的捕获。最后,将该体系材料构筑OLED器件,实现了非掺效率达到2.48%的NIR-OLED器件以及效率高达6.83%的标准饱和红光器件。最令人兴奋的是该NIR-OLED辐照度高达36027 mW Sr-1 m-2,是目前报道辐照度相当不错的NIR-OLED。

研究者相信,该工作将将为高效率AIE型有机发光材料的设计用于低滚降OLED器件的光电研究提供新的思路。相关论文在线发表在 (DOI: 10.1002/adom.201901520)上。