北大光电功能材料与器件课题组实现Tb(III)配合物电致发光新突破

稀土是我国的战略资源，大多数稀土离子具有丰富的能级结构，其发光性质一直是学术界研究的热点。稀土基发光材料在显示、照明、传感、生物成像和防伪等领域存在广泛应用。随着新型照明显示技术有机发光二极管（OLED）的兴起，稀土配合物作为OLED的发光材料是一个颇具前景的研究方向。

不久前，基于d–f跃迁发光的稀土配合物的OLED取得了突破，其外量子效率（EQE）超过20%（Nat. Sci. Rev., 2021, 8, nwaa193）。而f–f跃迁发光的稀土离子如Tb(III)、Eu(III)的配合物由于受到宇称禁阻选律影响，激发态寿命长（ms量级），导致其器件中激子湮灭效应严重，长期以来效率与亮度提高有限，进展缓慢。

图1 Tb(CPMIP)₃单晶结构（氢原子已省略）

近日，北京大学光电功能材料与器件课题组赵子丰、禹钢、卫慧波等设计了一种新型的氰基取代的吡唑啉酮配体CPMIP。X射线衍射单晶结构解析表明，当该配体形成Tb(III)配合物时，苯环上的氰基可以与相邻的Tb³⁺配位，形成交互配位的双核结构（图1）。得益于此，Tb(CPMIP)₃具有优良的热稳定性，其玻璃化转变温度为156℃，分解温度可达382℃。同时，配合物保留了良好的升华性能，为真空蒸镀法制备OLED器件提供了可能。

Tb(CPMIP)₃还具备优秀的光致发光性能。其晶体粉末的光致发光量子效率为97.1%，掺杂薄膜可达98.9%。经过一系列器件优化，基于Tb(CPMIP)₃制备的电致发光器件最大EQE为19.7%，最大亮度为1383 cd/m²。器件的表现详见图2。

图2 电致发光性能. (a) OLED结构; (b) 电致发光光谱; (c) 电流密度-电压-亮度曲线; (d) 效率-亮度曲线.

该工作首次将Tb(III)配合物电致发光器件的EQE做到了接近20%的理论最高水平，从实验上证实了稀土f-f跃迁稀土配合物可以100%利用激子。这也是f-f跃迁发光稀土配合物OLED的效率新纪录。

该成果以“Efficient green OLEDs achieved by a terbium(III) complex with photoluminescent quantum yield close to 100%”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi:10.1007/s11426-021-1036-0）。

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

通讯作者简介

禹钢 北京大学化学与分子工程学院特聘副研究员。2010年和2016年于北京大学分别获得学士和博士学位。2016-2019年就职于京东方科技集团股份有限公司，主攻量子点材料与器件研发。2019年回校工作，主要从事稀土发光配合物、新型发光材料与器件的基础研究以及发光材料的产学研。相关成果发表SCI及国际会议论文11篇，授权国内专利3项，公开国际专利8项。

卫慧波 北京大学分子工程苏南研究院青年研究员。2008年于南开大学化学院获得学士学位，2013年于北京大学化学学院获博士学位，2013-2016年在北京大学稀土材料化学与应用国家重点实验室从事博士后研究工作，2017年参与创业在北京博大睿尔思发光科技有限公司担任研发总监，2018年9月加入北京大学分子工程苏南研究院（江苏集萃分子工程研究院有限公司），并获评江苏省产业技术研究院“JITRI青年研究员”。2019年12月入选常熟市“创新领军人才”计划。研究领域包括光电功能材料与稀土发光材料，近年来开发出一类稳定性优异的稀土配合物发光材料，并推广其在转光农膜、太阳能电池转光膜和透明显示中的应用。相关成果发表SCI及中文核心期刊论文18篇，授权国内专利5项，国际专利1项（日本和韩国授权）。