香港城大李振声、苏大廖良生合作 Chem Sci：可用于单色及白光 OLED 的通用型主体分子

近日，英国皇家化学会旗舰期刊 Chemical Science 发表了李振声教授（香港城市大学）、廖良生教授（苏州大学）等的前沿论文（Edge Article），报道了两种新型的 D–σ–A 主体分子，具有较高三重态能级、良好的热性能和合适的光物理性质，能够作为通用型主体分子用于全彩磷光有机发光二极管（OLED），有望为全彩色磷光 OLED 中高效通用型主体分子开辟出一条新的设计途径。

• De novo design of D–σ–A molecules as universal hosts for monochrome and white phosphorescent organic light-emitting diodes

  Wen-Cheng Chen, Yi Yuan, Ze-Lin Zhu, Zuo-Quan Jiang, Shi-Jian Su,Liang-Sheng Liao* and Chun-Sing Lee*

  Chem. Sci., 2018, Advance Article

  DOI: 10.1039/C8SC00282G

非常感谢李振声教授、廖良生教授对本篇报道的细致审阅及修改！

研究背景

与使用无机半导体材料制备的普通发光二极管（LED）相比，OLED（有机发光二极管）则替代使用了有机化合物，其优点在于可将OLED 制成片状表面发射体（LED 则是将光线集中在微小芯片上），因此可以制造出具有薄的、柔性的表面发光体，具有非常均匀光分布的面板。OLED在显示器件、尤其是高端智能手机中已经开始大规模商用。

▲  苹果公司在iPhone X 中首次“抛弃”液晶显示屏（LCD），选择由三星供货的 OLED 屏幕 Source: © William Hook / flickr

在 OLED 元件中，电流从阳极向阴极流动，空穴从阳极，电子从阴极注入，分别经过导电层向发光层移动。此时，发光层注入的空穴和电子互相结合，处于激发态，以光的形式释放出能量，使电子回到基态。其基本构成包括：

• P / N dopants: 增加电荷传输层导电性的掺杂材料

• ETL: 具有高电子迁移率的电子传输层

• HTL: 具有高空穴移动率的空穴传输层

• EML: 具有高量子发光效率的主体分子和掺杂剂构成的发光层

▲  OLED元件由电荷移动的传输层及实际发光的发光层构成。Source: © SUMSUNG SDI CO.,LTD.

白光有机发光二极管（OLED）具有发光柔和、寿命长、适合大面积光源等特点，在全色平板显示器和大面积固态照明中更具广泛的应用前景。随着对器件性能的要求越来越高，特别是在实用亮度（≥1000 cd/m²）下的高效率，研究者们也正在致力于开发用于全磷光白光OLED的高效主体分子，但在器件结构和精确控制单个材料的沉积速率上实现同步优化还是遇到了不小的挑战。显然，与含有多种主体分子的体系相比，采用通用型主体分子可以简化器件结构，从而提高可再现性和降低制造成本。但迄今为止，仅有极少数文献报道了能用于单色光和白光磷光 OLED 的高性能通用主体分子。

▲  本篇前沿论文中介绍了一种新型的BII–BCz 主体分子，可以用于构建高效的白光 OLED

Chem. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8SC00282G

本篇论文

本文作者们设计了一种新型的吲哚类基团 11H-benzo[4,5]imidazo[1,2-a]indole (BII)，可以作为缺电子单元用于合成通用型D–σ–A主体分子。他们将 BII 化合物中非共轭的sp³ 碳原子与两个富电子基团(BCz 和 TPA)相连接，合成了 BII–BCz 和 BII–TPA 两种化合物，其合成步骤如下图所示：

▲ BII–BCz 和 BII-TPA 的合成步骤

这两种主体分子均显示了较高的三重态能级（E_Ts），分别为 2.98 和 2.95 eV，超过了大部分芴类主体分子的性能。同时，这两种材料非常适用于承载各种磷光发光材料而且性能优异，其中包括 FIrpic (蓝色光)， Ir(ppy)2(acac) (绿色光)，PO-01 (黄色光)，Ir(2-phq)3 (橙色光)和 Ir(piq)2(acac) (红色光)。

▲BII–BCz 和 BII-TPA 的分子轨道空间分布

将磷光发射体掺杂进BII-BCz主体中，所组成的单色光器件展现出了较优异的性能，其外量子效率（EQEs）分别为蓝色光二极管29.4%，绿色光二极管 27.8%，黄色光二极管 23.4%，橙色光二极管 20.5%，红色光二极管22.7%。

▲  基于BII–BCz的单EML白光器件的 EQE–亮度–PE 曲线图。

此外，将蓝色和黄色磷光剂同时掺杂进 BII-BCz 主体当中，制备出具有单发光层（EML）的白色磷光 OLED 具有非常优异的性能。在亮度为5000 cd/A 下，EQE 达到了 26.5%。同时，这种白色磷光 OLED 还表现出了非常稳定电致发光光谱。亮度从 1000 达到 10 000 cd/m²，CIE 色坐标只有 (0.009, 0.005) 的变化。该研究有希望为应用于全彩磷光 OLED 的高效通用型主体分子开辟出一条新的设计途径。

通讯作者简介

李振声 讲座教授

• 1983-09--1987-07 香港大学，学士学位

• 1987-09--1991-07 香港大学，博士学位

• 1991-07--1992-07 英国伯明翰大学，博士后

• 1993-07--1994-04 香港科技学院 ，高级讲师

• 1994-04--今 香港城市大学，讲座教授

研究领域包括：

(1) 有机光电材料与器件 

(2) 生物医学材料 

(3) 材料表面科学 

(4) 纳米科学 

(5) 金刚石超硬涂层及相关材料

廖良生 教授

• 1982.1获江西大学（现为南昌大学）学士学位； 

• 1988.6、1996.5 先后获南京大学硕士学位和博士学位； 

• 1982.01--1993.09江西大学, 讲师、副教授； 

• 1996.3--1997.12，复旦大学，博士后、副教授； 

• 2000.12--2009.3，美国柯达公司、研究员； 

• 2009.3 – 今，苏州大学，教授
  

研究领域包括：

（1）光电子材料和器件

（2）半导体器件物理

（3）应用表面和界面物理

关于 Chemical Science

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Impact factor: 8.668 *

Editor-in-chief

• Daniel G Nocera
  Harvard University, USA

Associate Editors

• Alán Aspuru-Guzik
  Theoretical chemistry, Harvard University, USA

• Michelle Chang
  Chemical Biology, University of California at Berkeley, USA

• Christopher C Cummins
  Inorganic and organometallic chemistry, Massachusetts Institute of Technology, USA

• Kazunari Domen
  Physical chemistry, energy and surface science, University of Tokyo, Japan

• Vy Dong
  Organic chemistry, University of California, Irvine, USA

• Matthew Gaunt
  Organic chemistry, University of Cambridge, UK

• Hubert Girault
  Analytical science and electrochemistry, Federal Polytechnic School of Lausanne, Switzerland

• Christopher A Hunter
  Physical organic, University of Cambridge, UK

• David A Leigh
  Supramolecular chemistry, University of Manchester, UK

• Kopin Liu
  Physical chemistry, Academia Sinica, Chinese Taipei

• James McCusker
  Physical inorganic, Michigan State University, USA

• Thomas Meade
  Molecular imaging and biosensing, Northwestern University, USA

• Wonwoo Nam
  Bioinorganic chemistry, Ewha Womans University, Korea

• Carsten Schultz
  Chemical biology, European Molecular Biology Laboratory, Germany

• Dmitri Talapin
  Nanoscience and functional materials, The University of Chicago, USA

• F Dean Toste
  Organic chemistry, University of California, Berkeley, USA

• Haw Yang
  Physical chemistry, Princeton University, USA

• Jihong Yu
  Inorganic materials, Jilin University, China

  于吉红，吉林大学

Scope

Chemical Science is the global journal for the discovery and reporting of breakthroughs in basic chemical research, communicated to a worldwide audience without barriers, through open access. Fundamental science that links to global challenges has global impact. 

The chemical sciences are at the heart of the solution to today’s global problems, and Chemical Science aims to be the global home and leading journal for such research. Articles must appeal to the general chemical science community.

* 2016 Journal Citation Reports ® (Clarivate Analytics, June 2017)

部分内容参考三星 SDI 网站中关于 OLED 的介绍

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