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发光学报 | 紫外/深蓝OLED发光材料研究进展

2023-03-29 11:55

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

华南理工大学唐本忠院士团队王志明研究员课题组在《发光学报》（EI、Scopus、中文核心期刊）2023年第1期发表了题为“紫外/深蓝 OLED 发光材料研究进展”的综述文章，梳理了现阶段获得高效蓝紫光有机发光材料的四大关键科学问题（光色纯度与有效共轭长度、宽禁带与载流子注入/传输、器件结构的优化与选择、材料耐久性要求），依据发光机制汇总了近十年来应用于OLED的紫外/深蓝发光材料；另外，从目前较为活跃的材料设计理论中，优选“热激子”理论和“杂化激发态”策略展示了目前其在高色纯度蓝紫光材料中的优势，分析了目前激子能级调控策略的发展方向。

有机电致发光二极管（Organic light-emitting diodes，OLED）具有柔性、低能耗、高分辨率等独特优势，在固态照明和平面显示等领域已经实现了大规模商业化应用。有机电致发光材料，特别是蓝紫光材料，是推动OLED普遍商业化的重要因素。深蓝光是实现高效节能OLED 的关键，紫外光材料在医学、环境、防伪等领域有着广泛的应用。为推动宽禁带发光材料的设计和相关理论的完善和发展，必须明确电致发光和光致发光机制的差异（图1（a））。在分子设计方面，宽禁带发光材料的本质特点给器件载流子的注入和传输增加了难度，采用扭转的给-受体结构（图1（b））可以提高载流子注入的同时控制共轭长度。此外，蓝紫光材料对于器件结构较为挑剔，对于各个功能层的要求较高，图1（c）展示了常用的OLED器件结构。

图1：（a）光致发光与电致发光；（b）ICT 效应在 D-A 构型与非 D-A 构型中的不同表现；（c）有机电致发光二极管的常见结构

本文梳理了现阶段获得高效蓝紫光有机发光材料的四大关键科学问题（光色纯度与有效共轭长度、宽禁带与载流子注入/传输、器件结构的优化与选择、材料耐久性要求），将近十年来电致发光峰位在430 nm以下的蓝紫光材料依据发光机制划分为磷光（图2）、传统荧光（图3）、三线态-三线态湮灭（图4）、热活化延迟荧光（图5）、“热激子”材料（图6、图7），增补介绍了含有聚集诱导发光（Aggregation-induced emission，AIE）特性基团（图8）以及含多重共振结构（图9）的材料。

对于蓝紫光化合物来讲，由于磷光材料很难达到如此高的三线态能级，所以材料种类并不常见，图2展示了铱配合物异构体蓝光材料。

图2：紫外/深蓝光磷光材料

图3：部分紫外/深蓝光传统荧光材料

电致发光过程中，高的激子利用效率是提高效率的关键，具有三线态-三线态湮灭特性的荧光材料理论上可以达到62.5%的激子利用率；而热活化延迟荧光则是通过促使电致发光过程中更多的三线态激子通过反系间窜跃（Reverse intersystem crossing，RISC）过程跃迁到单线态；通过高效地捕获三线态激子，可以使得激子利用率理论上达到100%，两种机制下均存在诸多高性能的蓝紫光材料。

图4：具有三线态-三线态湮灭特性的深蓝光荧光材料

图5：紫外/深蓝光热活化延迟荧光材料

目前较为活跃的材料设计理论中，“热激子”理论和“杂化激发态”策略在蓝紫光材料构筑中较有优势。文章详细介绍了其在高色纯度材料构筑中的优势，图6展示了部分“热激子”紫外/深蓝材料。

图6：部分“热激子”紫外/深蓝材料

另外，随着对深蓝光发光核心菲并咪唑构效关系的深入研究（图7（a）、（b）、（c）），在多个课题组及本课题组的研究基础上，我们逐步形成 “交叉长短轴”（Crossed long-short axis，CLSA）的分子设计理念（图7（d）），并尝试其与局域（Locally excited，LE）激发态/电荷转移（Charge transfer，CT）激发态的能级分布结合，逐步借助热激子和杂化局域电荷转移分子设计平台，发展利用LE态（S1）的高发光效率和高能级CT态RISC的高激子利用率的优势，制备出了系列高效率的 OLED 材料（图7（e）、（f））。

图7：（a）激发态下LE和CT组分的调控；（b）平衡的 LE/CT 态分布有利于同时提高发光效率和激子利用率；（c）静水压下LE和CT态的逐步混合和切换；（d）“交叉长短轴”概念图；（e）基于2Na-CzCN的OLED实现了高亮度下几乎可忽略不计的效率滚降；（f）高效近紫外光2MCzCNMCz作为新型通用功能性主体材料的应用

含有AIE特性基团的材料在聚集态下往往具有较高的荧光量子产率，能够有效避免由分子密堆积导致的荧光猝灭，因此，引入AIE特性基团成为成就分子高荧光量子效率的重要手段。王筱梅教授课题组与秦安军教授课题组分别报道了具有聚集诱导增强发光（Aggregation-induced emission enhancement，AIEE）特性的紫外光材料Compd.3与具有聚集增强发光（Aggregation-enhanced emission，AEE）特性的紫外光材料TPBCzC1、TPBCzC2、TPBCzC3。