CINNO Research 产业资讯,自从在实验室中诞生以来,有机发光二极管(OLED)技术在过去的三十年逐渐发展成为一个价值数百亿美元的产业。在工业应用中,红色、绿色和蓝色是显示器设计最常用到的三基色,目前具有 100%激子利用效率(EUE,Exciton Utilization Efficiency)的红色和绿色磷光材料已经能够满足 OLED 显示的需求。

 

但是,长激发态寿命(通常> 1μs)和高激发态能量(> 2.8 eV)蓝色磷光材料的稳定性还很差,难以进入商用。考虑到这个问题,当前 OLED 显示器使用的蓝色发光材料仍然还是具有较低激子利用效率,激发态寿命(纳秒级)更短的荧光材料。 

 

图 1. Ce-2 配合物的合成途径和分子结构,图片来源:中国科学出版社


根据外媒 Phys.org 报道,传统的 f-f 跃迁类稀土配合物具有 100%的激子利用效率,另外其红色和绿色发光的纯度也非常高。正因为这些优点,这一类材料的研究实际上比目前的磷光材料更早。不过,f-f 跃迁固有的毫秒级激发态寿命对器件性能的提高有非常大的限制,这也让基于稀土配合物的电致发光技术的发展慢了许多年。 

 

最近,北京大学的一个研究小组通过引入具有纳秒级激发态寿命的 d-f 跃迁稀土 Ce(三价)配合物 Ce-2,开发出一种更为高效的天蓝色 OLED 发光材料。据作者论证,在这种 Ce(三价)配合物基的 OLED 发光结构中,激子利用效率同样达到了 100%。更重要的是,与具有类似发光颜色的传统铱(III)配合物相比,基于 Ce-2 配合物的发光器件,其稳定性得到了极大的改善。

 

 与其他三价稀土离子不同,Ce(三价)离子中的单电子可以产生自旋和宇称允许的 4f-5d 跃迁,其激发态寿命仅为几十纳秒。不过,由于环境中配体和小分子的猝灭作用,大多数 Ce(三价)配合物本身都不发光。但是,Ce-2 的配体具有多齿配位能力和相对刚性的结构,可以有效保护中心位置处的 Ce(三价)离子。实际上,掺杂后膜体中 Ce-2 的发光效率达到了 95%,另外其测量到的激发态寿命也只有 52 纳秒。 

 

有意思的是,基于 Ce-2 配合物发光材料的 OLED 器件,其最大外部量子效率达 20.8%。根据此结果,研究人员推断该器件(结构)的激子利用效率已经接近 100%。这里更重要的是,与具有类似发光颜色的基于 Ir(三价)配合物的 OLED 器件相比,基于 Ce(三价)配合物的 OLED 器件显示出更小的滚降(Roll-off),更高的最大亮度以及更长的使用寿命(约 70 倍)。 

 

瞬态电致发光研究表明,Ce-2 配合物在上述 OLED 器件中的激发态寿命仅为 Ir(三价)配合物的 1/16,这是提高器件性能的主要原因。由于 Ce(三价)配合物具有 100%的激子利用效率和纳秒级的发光寿命,这种发光材料有望制造出更为高效且稳定的蓝色 OLED。

 

此外,考虑到 Ce(三价)配合物还具有可调的发射光谱和较低的成本,这种材料有望成为实现全彩色 OLED 显示和照明的新一代发光材料。

 

 

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