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華南理工大學(xué)趙祖金教授課題組 AFM：高遷移強(qiáng)發(fā)光藍(lán)色延遲熒光分子實(shí)現(xiàn)高效率厚膜OLED器件
2024-04-03  來(lái)源：高分子科技

  兼具高遷移率和高發(fā)光效率的有機(jī)半導(dǎo)體材料在光電器件上具有廣闊的應(yīng)用前景，包括有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)發(fā)光晶體管及有機(jī)電泵浦激光器等，但是開發(fā)同時(shí)具有高遷移率和高發(fā)光效率的材料存在很大挑戰(zhàn)，目前文獻(xiàn)報(bào)道的材料種類較少，且大多數(shù)材料為普通熒光材料或三線態(tài)-三線態(tài)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，對(duì)激子的利用率較低，其在OLED器件中的效率低下。因此，開發(fā)新型的兼具高激子利用率、高遷移率和高發(fā)光效率的有機(jī)半導(dǎo)體材料有重要意義。


圖1. A) 分子化學(xué)結(jié)構(gòu)及晶體構(gòu)型；B) 分子晶體堆積構(gòu)型；C) AICD及NICS計(jì)算結(jié)果；D) 靜電勢(shì)分析; E) TCO-1的S1和T1態(tài)的自然躍遷軌道分析


  近日，華南理工大學(xué)趙祖金教授課題組通過(guò)分子工程，將苯并呋喃/苯并噻吩與占噸酮進(jìn)行并環(huán)設(shè)計(jì)，開發(fā)了兩個(gè)全新的具有大共軛平面結(jié)構(gòu)的電子受體基團(tuán)。該類電子受體基團(tuán)的p電子能夠在整個(gè)共軛平面上高效地離域，從而極大地促進(jìn)分子間的電荷傳輸；同時(shí)，這種p電子強(qiáng)的離域性也使得整個(gè)分子平面的靜電勢(shì)表現(xiàn)為電中性，降低了平面堆積時(shí)的電子排斥作用，有利于形成有效地p?p平面堆積。此外，雜原子氧和硫的存在也有利于形成分子間氫鍵，這種由p?p相互作用和氫鍵構(gòu)筑而成的分子間作用網(wǎng)絡(luò)不僅有利于電荷的傳輸，也可以有效地減少分子結(jié)構(gòu)弛豫導(dǎo)致的能量耗散，為構(gòu)筑高遷移率和高發(fā)光效率的有機(jī)半導(dǎo)體奠定了基礎(chǔ)。隨后，作者將該類電子受體基團(tuán)與給電子能力較弱的基團(tuán)（10H-螺[吖啶-9,9''-呫噸）相連接，構(gòu)筑了具有熱活化延遲熒光特性的藍(lán)光材料（FCO-1和TCO-1），它們的非摻雜薄膜的發(fā)光量子效率達(dá)到87%和83%，延遲熒光壽命為2.86和2.34 μs。在1.0ⅹ10?6V cm?1的電場(chǎng)下，F(xiàn)CO-1和TCO-1的電子遷移率分別為0.135和0.118 cm2 V?1 s?1，空穴遷移率分別為0.034和0.017 cm2 V?1 s?1，優(yōu)于目前商業(yè)化的雙極傳輸材料。利用該系列分子作為發(fā)光材料制備的OLED表現(xiàn)出優(yōu)異的電致發(fā)光特性。傳統(tǒng)的具有薄發(fā)光層的非摻雜器件的發(fā)射波長(zhǎng)為474 nm，外量子效率達(dá)到30.2%，是目前效率最高的藍(lán)光非摻雜OLEDs器件。同時(shí)，該非摻器件也具有低的驅(qū)動(dòng)電壓，高的發(fā)光亮度和很小的效率滾降。此外，它們的摻雜器件也均具有優(yōu)異的器件效率表現(xiàn)，其中，F(xiàn)CO-1在30 wt%的摻雜濃度下外量子效率高達(dá)40.6%。 


圖2. 器件結(jié)構(gòu)A)和B)，能級(jí)及功能層分子結(jié)構(gòu)；C) 基于結(jié)構(gòu)A的電流密度-電壓-亮度圖; D) 外量子效率-亮度圖 (x = 100, y = 10); E) 外量子效率隨功能層厚度變化曲線; F) 基于結(jié)構(gòu)B的電流密度-電壓-亮度圖; G) 外量子效率-亮度圖; H) 非摻雜TCO-1厚發(fā)光層和薄發(fā)光層器件的工作壽命對(duì)比圖; D)和G)圖中的插圖: 5V處的EL光譜和FCO-1的器件照片


  為了發(fā)揮該系列材料高遷移率的優(yōu)勢(shì)，作者制備了器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的厚發(fā)光層OLED器件（ITO/MoO3(6 nm)/mCBP (10 nm)/EML/SF3TRZ(10 nm)/Liq (2 nm)/Al），F(xiàn)CO-1和TCO-1在器件中同時(shí)發(fā)揮發(fā)光材料和傳輸材料的作用。以FCO-1為例，在發(fā)光層厚度為100 nm時(shí)，非摻雜器件的最大外量子效率維持在22.6%，在1000 cd/m2亮度下的效率滾降僅為7.1%；同時(shí)，通過(guò)對(duì)發(fā)光層厚度進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，在60到180 nm范圍內(nèi)，外量子效率均可維持在20%左右，這種對(duì)發(fā)光層厚度較低的敏感性主要得益于快速的載流子遷移帶來(lái)的高效的載流子復(fù)合；谠摻Y(jié)構(gòu)的敏化器件也有優(yōu)異的性能表現(xiàn)，以TCO-1敏化v-DABNA窄光譜發(fā)光客體的CIE色坐標(biāo)為（0.15，0.27），最大外量子效率可達(dá)23.2%，在1000 cd/m2亮度下仍可維持在22.1%，且在該亮度下測(cè)得的LT50也達(dá)到了144.5 h。此外，得益于厚發(fā)光層帶來(lái)的寬的復(fù)合區(qū)和低的激子密度，和薄發(fā)光層器件相比，厚發(fā)光層器件的使用壽命得到了顯著的提升，體現(xiàn)了厚發(fā)光層器件潛在的應(yīng)用潛力。


  該工作制備的非摻雜薄發(fā)光層及厚發(fā)光層藍(lán)光OLED器件效率是目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高水平，研究?jī)?nèi)容以“Exploring Efficient Blue TADF Materials with Ultrafast Bipolar Charge Transport for High-Efficiency Thick-Layer OLEDs”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該工作的第一作者是華南理工大學(xué)博士研究生付燕和劉昊，通訊作者為華南理工大學(xué)趙祖金教授。該工作同時(shí)得到了國(guó)家納米科學(xué)中心的張建齊老師在GIWAXS測(cè)試表征上的幫助。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的資助支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401434

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（責(zé)任編輯：xu）
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