发光学报 | 机遇与挑战：有机发光二极管蓝光材料

高性能的发光材料是有机发光二极管（OLEDs）产业的关键核心所在，也是该领域国际竞争的焦点。有机红光及绿光OLEDs基本上已能够达到商业应用的标准。但由于三线态激子具有较长的寿命以及蓝光材料具有较宽的带隙，因而在高亮度下，蓝光OLEDs器件容易发生三线态激子累积和有机分子化学键断裂，严重影响了器件稳定性。这使得蓝光OLEDs的发展和应用受到了较大限制，商业上迫切需要新的分子设计策略来解决这一问题。

近日，华南理工大学马於光院士、广东工业大学胡德华教授、华南理工大学俞越博士及博士生谭文乐在《发光学报》（EI、Scopus、中文核心期刊）发表了题为“有机发光二极管蓝光材料研究进展”的综述文章。

该综述重点介绍了金属配合物磷光、三线态-三线态湮灭上转换发光、热活化延迟荧光、“热激子”等材料的发光原理、结构设计策略以及它们在OLEDs蓝光材料方面的最新进展，并对蓝光材料未来的发展方向进行了分析和展望。

图1：OLEDs的一些商业化产品

▍引言

OLEDs显示器具有对比度大、视角宽、响应快、色彩鲜艳、可柔性大面积制备等优点，在商业上已得到广泛的应用。但是，相比红光和绿光，蓝光OLEDs仍然存在亮度低、高亮度下寿命短的问题，这极大地限制了OLEDs在显示、照明等领域的发展。解决这一问题的核心是发展兼具高效率和高稳定性的新一代蓝光OLEDs材料。在这样的研究背景下，国内外研究者们陆续发展了多种提高有机发光材料性能的光物理机制和相应的高效蓝光材料以及高性能器件的设计策略。

▍新型有机发光二极管蓝光材料设计方案

目前，有机蓝光OLEDs材料的研究呈现出多途径发展的趋势。主要包括基于重金属配位的磷光配合物、三线态-三线态湮灭、热活化延迟荧光、“热激子”等材料的结构设计策略。从应用角度来看，这些材料体系的研究处于齐头并进的态势，都有进一步产业化的机会。

图2：不同类型的蓝光OLEDs材料机理示意图

（1）金属配合物磷光材料。其原理是利用重金属的自旋-轨道耦合效应将不发光的三线态转变成可发光的激发态，因此磷光材料器件理论上可实现100%的激子利用率。通过在磷光配合物中引入大体积取代基增强结构稳定性及规避额外的主客体相互作用、以及在发光层引入中间能量载体实现多通道的能量转移过程，虽然显著提高了蓝光磷光器件的稳定性和寿命，但同商业应用标准仍有一定差距。此外，为解决铱、铂等重金属材料引起的高成本和环境污染问题，基于铈、铕等地球中储量更高且毒性更低的磷光配合物的研究逐渐被研究者所重视。

（2）三线态-三线态湮灭上转换荧光材料。其原理是通过两个三线态激子相互作用实现上转换过程，产生一个单线态激子的同时释放声子，从而提高激子利用效率。此类材料可以作为主体材料，敏化高效客体蓝光材料，亦可直接作为客体蓝光材料。从机理上来看，三线态-三线态湮灭类荧光材料激子利用率的理论上限为62.5%，存在先天不足。但其器件稳定性好、寿命长，因此目前商业上对此类材料有较多应用。如何进一步提高器件效率是这类材料在未来保持竞争力的关键。另外，使用窄带隙的红光或绿光材料敏化这类材料的T1能级，再通过三线态激子的上转换过程实现蓝光发射，可大幅度降低器件驱动电压，在减少能量输入的情况下维持同样的功率效率并实现高能的蓝光发射，成为三线态-三线态湮灭类蓝光材料发展的一种新思路。

（3）热活化延迟荧光类蓝光材料。这类材料通常需要分子的HOMO与LUMO分离，以获得较小的S₁和T₁之间的能差在电致发光过程中激发态弛豫到T₁态后，通过反向系间窜越转化到S₁态，理论上可以实现激子的完全利用。这类材料的问题是高电流密度下由于长寿命三线态激子累积造成的效率快速滚降，原理上及器件研究中均显示效率滚降问题难以克服。传统的热活化延迟荧光材料由于结构高度扭曲，容易产生分子内电荷转移导致光谱变宽。而近年来基于多重共振的蓝光材料，由于HOMO、LUMO分别局域在氮、硼等原子上，抑制了振动耦合和结构弛豫对光谱的展宽，因此展现出类似原子光谱的窄半峰宽发射。尽管这类材料还是存在效率滚降的问题，但是由于色度较纯，因此在高精度显示方面十分具有潜力。

（4）“热激子”蓝光材料。“热激子”机制则是通过高能级三线态（Tn）反系间窜越到S₁态，从而实现三线态到单线态的转换，理论上也可获得100%的激子利用效率。原理分析和实验结果都证明了这种高能三线态反系间窜越的速度非常快，进而可有效避免三线态激子的积累，有望实现高效率、低效率滚降的蓝光OLEDs材料。同时，由于“热激子”材料的反系间窜越通道和辐射跃迁通道分离，无需像热活化延迟荧光材料一样通过强电荷转移态设计来实现小的S₁和T₁能差；因而其S₁态可为局域态或者杂化局域电荷转移态，可以保证高发光效率和宽禁带发射，有利于蓝光和深蓝光发光材料的设计。

▍结论与展望

“热激子”蓝光材料快速的反系间窜越过程使其在制备长寿命器件方面具有天然的优势，已报道的许多热激子材料表现出低的器件效率滚降，初步的寿命研究也展示了较好的应用潜力。为进一步提高其器件效率和稳定性，可构筑多通道的反系间窜越过程，提高高能三线态反系间窜越的效率和速率。热活化延迟荧光材料的激子反系间窜越过程相对较慢，可通过减小T₁与S₁间的能级差以及设计、优化器件类型如“超荧光”等，来获得长寿命的蓝光器件。对于金属配位磷光材料而言，可以尝试开发新的材料体系，如铈、铕等，以获得自旋跃迁允许的稀土元素配合物，以及优化器件结构、构筑多通道的能量转移途径来促进激子能量转移，从而提高器件稳定性。

除上述材料体系之外，一些更具普适性的技术，如氘代技术、晶态薄膜发光等在蓝光材料体系中逐渐被应用，为高效、稳定的蓝光材料和器件的发展提供了新的思路。随着OLEDs显示的发展，高色纯度也已经成为衡量蓝光材料的一个重要指标，窄谱带蓝光材料成为了一个新的科学问题。在保证蓝光器件高效率和长寿命的情况下，尽量获得较窄的电致发光光谱，对显示屏的色纯度提高以及减少因引入滤光片引起的能量损失具有重要意义，这也就更要求不同学科领域的交叉来推动其发展。

| 论文信息 |

谭文乐,俞越,胡德华等.有机发光二极管蓝光材料研究进展[J].发光学报,2023,44(01):1-11. DOI: 10.37188/CJL.20220328.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesis/62/31813637/zh/

| 通讯作者简介 |

马於光，华南理工大学教授、博士生导师,中国科学院院士。1981年考入吉林大学，先后获得学士、硕士、博士学位。2002年获得杰出青年科学基金资助，2006年受聘教育部“长江学者”特聘教授。曾获教育部优秀科技成果奖自然科学一等奖（2008年，第一完成人），国家自然科学二等奖（2009年，第一完成人）。2013年入选“百千万人才工程”国家级人选，2016年作为带头人获国家自然科学基金创新群体资助。2021年当选为中国科学院院士。主要从事有机半导体材料光-电-磁转化的物理化学机制、场效应晶体管以及电化学沉积技术等研究与应用。

胡德华，广东工业大学教授，分别于2006年和2011年在吉林大学获得学士和博士学位（导师：马於光院士）。主要从事有机光电磁功能材料与器件的研究。在 Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.， Chem. Soc. Rev.，ACS Nano和 Adv. Funct. Mater.，等国际知名期刊发表学术论文90余篇。申请授权国内外专利10余项。主持和参与多项国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目和广东省重大科技专项项目等。

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