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長春應化所在晶態有機發光二極管研究中取得重要進展

時間:2023-01-03

相比于非晶態有機半導體,晶態有機半導體具有高的載流子遷移率和良好的熱穩定性,是構建先進有機固態發光器件的理想介質。自Martin Pope1963年在有機單晶中觀察到電致發光現象以來,基于晶態有機材料開發發光器件受到了發光、材料等領域的長期關注。然而,經過多年發展,這類概念器件中一直存在的高驅動電壓、低發光亮度、低發光效率等問題沒有得到有效解決,器件性能遠遠落后于已進入商用階段的非晶態薄膜有機發光二極管(Amorphous OLED, A-OLED)。

近期,中國科學院長春應用化學研究所閆東航研究員、朱峰研究員團隊提出利用弱取向外延方法(Adv. Mater. 2007, 19, 2168)發展高性能晶態有機發光二極管 (Crystalline OLED, C-OLED)的路線。先后論證了C-OLED可以實現有效的綠光、藍光發射 (J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 8879; Org. Electron., 2020, 84, 105806),發展了寬禁帶晶態主體材料、實現了C-OLED的摻雜工程 (J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 2236-2242)。于近日公布了一種新型的高性能藍光發射C-OLED結構:在弱取向外延生長多晶有機薄膜制備C-OLED的基礎上,實現了熱激子熒光材料納米聚集體的可控嵌入和敏化作用,利用有機異質結效應產生限域空間電荷大幅提高載流子注入和發光性能。該器件表現出強大的藍光發射[CIE (0.15,0.17)],低啟亮電壓 Von = 2.5V (@1cd/m2), 低驅動電壓V1000 = 3.3V (@1000cd/m2), 低焦耳熱能量損失比(7.8% @1000 cd/m2),最大外量子效率和最大功率效率分別達到 9.14% 13.61 lm/W。

                        

1. (a) “熱激子熒光納米聚集體敏化的C-OLED器件結構;(b) C-OLED發光層納米聚集體的原子力形貌圖; (c) 器件的電流密度-電壓-亮度曲線;(d) 器件的外量子效率-亮度曲線;(e)器件的電致發光光譜。

該工作采用晶態主體材料與熱激子材料、發光客體交替生長的方式,使"熱激子材料/發光客體形成的納米尺度聚集體均勻地鑲嵌在晶態主體中。有別于均勻摻雜的A-OLED工作原理,在此新型發光層結構中,晶態主體材料與熱激子納米聚集體之間存在著明顯的有機異質結效應,晶態主體和納米聚集體的能帶發生彎曲并有效地增強了器件電導。電子從電子傳輸層無勢壘地直接注入納米聚集體中形成限域空間電荷;另一方面,空穴直接在高遷移率的晶態主體材料中傳輸,最終空穴和電子在納米聚集體中相遇形成激子。

C-OLED中引入 熱激子熒光材料納米聚集體是提升器件發光效率的關鍵。熱激子材料是馬於光院士團隊發展的新一代熒光發光材料,通過將高能量三線態激子轉為單線態激子,可以實現理論上高達100%的激子利用率。在C-OLED中,熱激子熒光材料納米聚集體作為敏化劑,通過S1單線態能級將高能單線態、三線態激子傳遞給具有高熒光量子效率的熒光客體實現高效率發光。

最終,C-OLED器件在低工作電壓下即可實現高亮度藍光發射,該特性超越了目前所有已公開報道的藍光發射(CIEy ? 0.2) A-OLED。該研究工作揭示了有機晶態薄膜主體結合高激子利用率材料納米結構發展高性能C-OLED的可行性,為發展新一代OLED提供一種新的器件方案。

           

2. (a) 激子在聚集體中的形成過程;(b) “熱激子納米聚集體敏化的C-OLEDA-OLEDs的亮度輸出對比。

研究成果以“High-Efficiency Blue-Emission Crystalline Organic Light-Emitting Diodes Sensitized by “Hot Exciton” Fluorescent Nanoaggregates”為題于20221215日發表在《Science Advances》上(Sci. Adv. 2022, 8 (50), eadd1757; DOI: 10.1126/sciadv.add1757)。該工作由長春應化所閆東航研究員、朱峰研究員團隊與華南理工大學馬於光院士團隊合作完成,長春應化所為第一單位和通訊單位。該研究工作得到了科技部重點研發計劃、中國科學院和長春應化所的支持。

(供稿:薄膜物理課題組      撰稿:朱峰)

 

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