用于高效稳定的蓝色OLED的单色荧光敏化荧光

本文亮点

1、提出一种单色荧光增敏发光方法，其中磷光发射器和发光发射器被特制成保持磷光的初始颜色。

2、作者设计了一个具有亚微秒辐射衰减时间的现代天蓝发光二极管。通过改变发光发射器的浓度，作者发现寿命与辐射衰变时间的减少成正比，并将工作稳定性调谐到320小时（80%衰变，初始亮度为1000cd/m^2）的寿命。

3、单色荧光增敏-发光为快速稳定的蓝色发光二极管提供了一条清晰的路径，有助于克服热激活延迟发光的局限性。

【引言】

目前，在商业上可得到的显示和照明应用中，深蓝色有机发光二极管(OLED)的外部量子效率受到发发光体的不利自旋统计量的限制，因为(长期望的)蓝色磷光和热激活延迟发光（TADF）OLED太短，难以实现工业应用。OLED研究人员一直在探索提高蓝色OLED稳定性和效率的途径。从概念上讲，捕获激发态三重态提高了效率，而减少激发态的衰减时间降低了由三重态湮灭和三重态极化子猝灭触发的降解反应的概率。在实践中，人们必须做出妥协：例如，磷荧光发射体确实收获了三重态，但是具有长的激发态衰变时间。一种不同的方法是设计能够捕获三重态激子的发光发射器。这些发射极的小的单重态-三重态分裂有利于从三重态到单重态的（反向）系统间穿越，导致TADF。然而，TADF和磷光发射器的激发态衰减时间具有相同的数量级，导致类似的快速操作退化。 

通过将TADF发射极与传统的光发射极以敏化方式结合，可以提高TADFOLED的稳定性和色纯度。在这样一种高光致发光TADF OLED中，从单重态激发TADF态到单重态的光致发光器件的Förster共振能量转移（FRET）减少了辐射衰减前的RISC/ISC循环次数。然而，辐射衰变时间仍然受限于RISC过程的速率：据自旋统计，75%的激发态需要在FRET发光之前转移到单重态。由于RISC速率与自旋-轨道耦合强度成二次关系，延迟发射的衰减速率被限制在106s^-1。延迟发射的慢衰减速率最终限制了超荧光TADFOLED的稳定性。

【图文导读】

另一种TADF方法，也超过发光OLED的外部量子效率的5%-7%的理论极限，是磷光体敏化的发光方法，如图1(a)所示。一般来说，FRET从三重态到单重态是自旋禁止的，因此是无效的，然而，激发磷光三重态的长衰减时间和高的光致发光量子产率可以补偿缓慢的FRET速率。原则上，所有激发态都可以通过FRET直接转移到γ受体。直接传输导致的辐射衰减时间比TADF超μ衰变短。Kim等人在最近的一项工作中证明了这一点，通过添加黄色发光光受体，在众所周知的磷光绿光发射体Ir(ppy)₃的瞬态PL特性中，衰减时间明显减少。敏化对于白色OLED特别有趣，其中蓝色敏化剂用于泵浦黄色（双组分白色OLED）或绿色和红色（三组分白色OLED）发射器。敏化白色OLED相对于驱动电压的变化或蓝色敏化剂的退化提供稳定的白色，因为其发射极度依赖于敏化剂上激子的形成。

图1

图2

原则上，在紫外光谱范围内使用致敏施主发射可以重新实现一种紫外发光的蓝色有机发光二极管。然而，高激子能量会导致器件的快速退化。这就是为什么红移（相对于施主）受体发射的经典敏化不适合实现稳定的蓝色OLED。概念上，也可以使用具有与磷光敏化剂的发射相匹配的发射光谱的光受体，如图1(b)中示意描绘的。

图2显示了磷光供体（D）、光受体（A）和基质（M）材料的化学结构，以及基质中M-、D-和A-层的紫外-可见吸收光谱和两个发射体的归一化PL光谱。通过设计，施主和受主发射光谱在480nm处具有相似的光谱形状和峰位。尽管受主发射峰较窄，但施主发射和受主吸收之间仍然存在一些重叠，这有利于受主单态的激发施主态的Förster转移。

【小结】

作者提出了基于单色荧光增敏光致发光（UPSF）的三重态-单重态双发射系统。模型发射层的稳态和TRPL光谱表明，UPSF缩短了施主的辐射衰减时间，这种降低是由于受激三重态到光受体的单重态的快速共振能量转移。制造的蓝色UPSF OLED保留了供体的原始发射颜色，它们的寿命的增加，与辐射衰减时间的倒数成正比，为科学稳定的蓝色OLED开辟了一条优化途径。UPSF的全部潜力可以通过（已知的）化学设计策略来解锁。尤其是，通过冷却发射器可以增强快速共振能量转移。同样，通过适当的间隔基团屏蔽它们的局域激发态波可以减小Dexter转移。最后，具有较小斯托克斯位移的受体分子将能够制造稳定的深蓝色OLEDS，满足显示应用的要求。该研究结果显示出一条通向高度稳定和有效的蓝色OLED的清晰路径。

Paul Heimel, AnirbanMondal, Falk May, Wolfgang Kowalsky, Christian Lennartz, Denis Andrienko &Robert Lovrincic, Unicolored phosphor-sensitized fluorescence for efficient andstable blue OLEDs, Nature Communications, 2018, DOI:10.1038/s41467-018-07432-2

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