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北京大学黄春辉课题组利用稀土铈(III)配合物在蓝光OLED研究中取得突破
2020-09-24 00:00:00   来源:中国稀土   评论:0 点击:

自诞生以来,有机发光二极管(Organic light-emitting diode, OLED)在30年间已经发展成为一个价值数百亿美元的产业。在实际应用中,具有100%激子利用率的高效磷光材料已经能够满足三基色红光和绿光器件的需求,但是较长的激发态寿命(通常长于1微秒)和较高的激发态能量使得基于蓝色磷光材料的器件稳定性不佳。因此,目前产业中使用的蓝色发光材料仍是激子利用率较低但激发态寿命较短(纳秒)的荧光材料。
  传统的f-f跃迁稀土配合物兼具100%激子利用率和可实现高色纯度红光、绿光的优点,是一类比磷光材料更早应用于OLED研究的发光材料。然而,f-f跃迁本征毫秒级的激发态寿命限制了器件性能的提升,使得多年来稀土配合物电致发光研究领域的进展非常缓慢。
  最近,北京大学化学与分子工程学院黄春辉课题组合成了两种具有纳秒级短激发态寿命的d-f跃迁稀土铈(III)配合物Ce-1和Ce-2(图1),紫外激发下分别发射深蓝色和天蓝色光,光致发光量子产率均超过90%。经过优化,两种材料在OLED中均实现了高效蓝色发光,首次证明了铈(III)配合物在OLED中具有100%的激子利用率。此外,相较于发光颜色相近的传统的磷光铱(III)配合物器件,基于铈(III)配合物器件的工作稳定性提高近70倍。

图1. 配合物Ce-1、Ce-2的分子结构和发光颜色
  作者认为,器件中的配合物可以通过具有单电子的铈(III)离子直接俘获电子和空穴,形成二重态激子并辐射发光(图2),从而绕过传统闭壳层发光材料中自旋统计限制,实现高激子利用率的目标,而自旋和宇称允许的d-f跃迁所伴随的短激发态寿命则是器件稳定性提高的根源。

图2. 铈(III)配合物电致发光机理


  考虑到铈(III)配合物还具有可调的发射光谱(d轨道受配体场影响显著)和较低的原料成本(铈在地壳中的含量是铱的近60000倍,高于铜),此类发光材料不仅有望解决实际应用中高效蓝光OLED存在的难题,同时还有潜力成为新一代发光材料应用于OLED全色显示和照明。这项工作对于实现我国稀土资源高价值利用,发展具有自主知识产权的OLED发光材料具有重大意义。
  上述深蓝光OLED工作以“Deep-blue organic light-emitting diodes based on a doublet d–f transition cerium(III) complex with 100% exciton utilization efficiency”为题发表在Light: Science & Applications,天蓝光OLED工作以“Efficient rare earth cerium(III) complex with nanosecond d-f emission for blue organic light-emitting diodes”为题发表在National Science Review。化学学院博士后赵子丰和博士研究生王李玎为两篇论文的共同第一作者,刘志伟副教授为通讯作者。相关工作已经申请专利“基于d-f跃迁的电致发光材料及器件”并获得授权(专利号:201910407555.0)。上述研究得到国家重点研发计划、北京市自然科学基金、中国博士后基金资助。

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