Science：基于碳烯-金屬-酰胺的高效發光二極管

【引言】

自從薄膜有機發光二極管（OLEDs）在二十世紀八十年代發現以來，其經歷了從實驗室的研究興趣到全球工業化生產的過程。OLED的效率主要由束縛電子-空穴對（激子）的自旋決定，激子的產生源于注入電子和空穴的重新結合。單重態與黑暗三重態之比由當電子和空穴流比率為1比3時的隨機自旋極化造成，這使得熒光OLEDs的內量子效率（IQE）被限制在25%以內。能量的交換（單重態-三重態能隙）通常是較大的，為正值，大約為0.5eV。因此，三重態通常無法承受對于發射單重態的系間竄越（ISC）。磷光OLEDs已經利用重原子效應應用在鉑或銥的化合物中補償三重態發射，并且基于熱促進三重態到單重態系統上轉換的熱活性延遲熒光（TADF）OLEDs具有較低的轉換能量和更高的效率。

【成果簡介】

近日，來自劍橋大學的Dan Credgington、東安格利亞大學的Manfred Bochmann和東芬蘭大學的Mikko Linnolahti（共同通訊）等人以“High-performance light-emitting diodes based on carbene-metal-amides”為題在Science上發表文章，研究了基于碳烯-金屬-酰胺的高效發光二極管。

文章中介紹了一種新型的線性供體-橋-受體發光分子，并可以基于液相法制作在高亮度下內量子效率接近100%的LEDs，其性能的關鍵在于對于三重態的快速、有效利用。結合時間分辨光譜法得知，發光過程是在到單重態反轉系間竄越后，通過在環境溫度中350ns內發生的三重態產生的。實驗中發現分子幾何形態中存在的單重-三重態能隙接近于零，這使得快速互換成為可能。計算結果表明交換能量可以由關于橋的供體和受體部分的相對轉動所調控。不同于其他低交換能量系統，其本身的振子強度是由單重-三重態簡并點所保持的。

【圖文導讀】

圖1 化學結構、吸收/發射光譜及OLEDs的性能

（A）CMAs的化學結構

（B）CAM1在THF溶劑中（實線）的摩爾消光系數（左縱軸）和在平滑薄膜中的吸收（點線）。附加的光熱偏轉譜（破折線）表明薄膜的吸收邊的出現主要源于散射。分散在PVK和溶液中的CMA1擠鑄薄膜的光致發光（PL）和電致發光（EL）譜（右縱軸）

（C）CAM1器件的能級圖

（D）182 CMA4器件的外量子效率尖峰頻率直方圖。小圖中左為CMA1，右為CMA3

（E）將CMA1-4分散在20 wt%的PVK中時器件的外量子效率（EQE）和EL譜

（F）在不同穩態電流密度下CMA1器件的瞬時EL曲線

圖2 CMA1的瞬時光物理特性

（A）使用電柵極ICCD測量的溫度依賴ns-μs光致發光（PL）動力學曲線

（B）300K時PL光譜的激發和延遲

（C）CMA1平滑薄膜在300K時的超快科爾柵極PL，彩色刻度尺表明背景之上的總計數

（D）CMA1平滑薄膜在300K時ps-μs時間尺度上的TA譜

（E）CMA1（0.1 wt%）在氯苯中的超快PL譜（300K）

（F）超快PL衰減在頭10ps內PL峰位置的變化

（G）平滑CMA1薄膜的680nm PIA和PL強度的衰減動力學曲線

圖3 DFT計算及RASI機理

（A）CMA1在S₀、S₁和T₁態中的最優幾何形態

（B）由DFT和TD-DFT計算得到的CMA1的HOMO和LUMO波函數

（C）基于TD-DFT計算的RASI機理

（D）CMA1的穩態PL峰能量。從左至右依次為多晶粉末、PVK中含量1.5 wt%、PVK含量中20 wt%、平滑薄膜、氯苯中含量0.1 wt%

【小結】

本文中介紹了一種新型的用于高性能OLEDs的材料，其通過三重態表現出了快速的發射性能。在300K的條件下，CMA1的發光壽命達到350ns，這遠快于現今的銥基磷光發光器和高效TADF發光器。這可能是由于這種分子構型可以在保持振子強度的同時達到較低的交換能量，而不會像TADF材料那樣通過消耗振子強度來達到。亞微秒的發光對于高亮度OLED是大有裨益的。這項研究為避免源自雙分子湮沒的衰減路徑提供了解決思路。

文獻鏈接：High-performance light-emitting diodes based on carbene-metal-amides（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aah4345）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

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