Nat. Photonics一作兼通讯，三星电子引领深蓝OLED风骚

第一作者：Soon Ok Jeon, Kyung Hyung Lee

通讯作者：Soon Ok Jeon,Hyeonho Choi, Jun Yeob Lee

通讯单位：三星电子，成均馆大学

在深蓝色有机发光二极管（OLED）中同时实现高效率和长寿命是具有很大挑战性的。为此，韩国三星电子Soon Ok Jeon,Hyeonho Choi和成均馆大学Jun Yeob Lee报道了热激活延迟荧光（TADF）有机发光二极管，通过将蓝色TADF材料的新设计与三重态激子回收协议相结合同时实现了高效率和长寿命目标。将两种TADF材料（一种分布和一种发光）掺杂到主体中，以形成三重态激子分布的TADF器件。单重态激子经级联能量转移通过分布的TADF材料从宿主转移到发光体，而三重态激子通过低三重态能量主体和分子之间的三重态激子循环过程作为单重态激子转移到发光体。最终，三重态激子分布的TADF器件获得了高达33.5±0.1的外量子效率，校正的色坐标电流效率为400 cd A^-1，寿命超过 5,000小时和y色坐标低于0.10。相关结果以“High-efficiency, long-lifetime deep-blue organic light-emitting diodes”为题发表在Nature Photonics期刊上。

【研究内容】

器件设计和材料开发

为了达到较高的EQE和较长的设备寿命，人们提出了一种使用TADF发光体通过低三重态能量宿主分布深蓝色TADF发光体的三重态激子的概念装置，如图1所示。在传统的TADF器件结构中（图1a），高三重态能量宿主通过Forster和Dexter能量转移过程诱导TADF发光体的发光。因此，宿主必须具有比TADF发光体更高的三重态能量，以禁止反向能量传输。相反，当使用低三重态能量宿主时，三重态激子被淬灭，导致TADF设备的EQE较低。使用高三重态能量宿主时，会收获所有单重态和三重态激子，从而导致TADF设备的EQE较高。但是，三重态激子的巨大贡献通常会缩短TADF器件的器件寿命，高三重态能量宿主的稳定性也很差。

图1 发光机理

为了解决传统TADF器件的问题，研究人员提出了利用三重态能量宿主的TED-TADF概念设备（图1b）。使用低三重态能量宿主可以确保材料的稳定性，而采用低发射能量的第二个TADF发光体可以回收由主体淬灭的三重态激子，同时主要收获单重态激子。因此，非辐射三重态激子变成了辐射单重态激子，这提供了一种收集三重态激子的替代方法，同时获得TADF器件的高EQE且长寿命。

为了实现TED-TADF概念器件，PPCzTrz和PCzTrz被选为TADF发光体。

器件性能

当以3.10 eV高三重态能量的DPEPO为发光体宿主时，TADF器件的EQE较高，分别为34％（PPCzTrz）和23％（PCzTrz）（图2a）。结果表明，两个TADF发光体是有效的蓝光发射器。图2b中的电致发光光谱证实了它们的深蓝色发光特性。但是，由于DPEPO宿主的稳定性较差，PPCzTrz和PCzTrz的器件寿命太短。

图2 传统TADF器件性能

当将oCBP：CNmCBPCN混合体（在蓝色磷光OLED中提供高EQE和长器件寿命）嵌入蓝光TADF器件中，作为PPCzTrz和PCzTrz宿主时，可得到稳定的蓝光LED。图2c中的EQE-亮度数据结果表明，基于混合宿主的TADF器件的EQE远低于基于DPEPO器件的EQE，PPCzTrz和PCzTrz的TADF器件的EQE分别仅为10.0和5.9％，这是因为混合宿主可猝灭三重态激子。然而，如图2d所示，在混合宿主器件中，器件的寿命大大延长了。

由于在TADF器件中难以同时实现较高的EQE和较长的器件寿命，因此作者设计了一种新的器件结构TED-TADF来提高性能。以发射光谱窄的ν-DABNA作为深蓝色TADF发光体，TED-TADF器件是使用混合宿主oCBP:CNmCBPCN (50:50)、分布TADF材料（PPCzTrz或PCzTrz）、ν-DABNA作为发光层。图3a为完整的器件结构和能级图。

图3底部发射器件的数据。A, TADF(10 wt%):ν-DABNA(0.5 wt%); B, TADF(10 wt%):ν-DABNA(1.0 wt%); C, TADF(20 wt%):ν-DABNA(0.5 wt%); D, TADF(20 wt%):ν-DABNA(1.0 wt%); E, ν-DABNA(1.0 wt%).

ν-DABNA器件的最大EQE为33.2±0.2％，但在1,000 cd m ^–2时的EQE仅为17.7±0.2％，这是由于在高电流密度下由三重态激子猝灭引起的效率下降。分布的TADF材料和ν-DABNA的掺杂浓度影响了TED-TADF器件的EQE。经过优化的PPCzTrz和PCzTrz的TED-TADF器件的最大EQE分别为33.0±0.3％和33.5±0.1％，并且EQE在1,000 cd m^–2分别为25.2±0.8％和23.8±0.2％。尽管最大EQE非常相似，但TED-TADF器件在高亮度下的较高EQE可能是由于单重态激子通过分布TADF材料的贡献作用增大。更高的ν-DABNA和PPCzTrz掺杂浓度提高了TADF器件的EQE，但由于与ν-DABNA发光体的分子相互作用，发光峰发生了红移。TED-TADF器件寿命（LT₅₀，在1,000 cd m^–2时，初始亮度下降50％的时间）可达151±3 h，比仅有分布或者发光TADF材料的TADF器件的寿命长3.8倍。TED-TADF器件在100 cd m^–2下具有9,500±150 h的运行寿命。

基于TED-TADF器件的窄发射光谱，开发了顶部发射器件，以利用反射微腔效应来最大化器件的效率。PPCzTrz和PCzTrz器件的最大电流效率值分别为32.8±0.9和38.9±1.0 cd A^-1（图4a）。PPCzTrz和PCzTrz器件的最大EQE/1,000 cd m^–2的EQE分别为 29.3±0.9/21.4±0.7和34.4±0.9/21.9±0.3%（图4b），PPCzTrz和PCzTrz器件的EQE是y色坐标低于0.10的深蓝色OLED的最高EQE。到目前为止，y值色坐标低于0.10的深蓝色OLED的最佳EQE的仅为24.8％。利用顶部发射器件的微腔结构（图4c），分别获得了0.12和0.09的相应CIE-x和CIE-y坐标。此外，如图4d所示，在PPCzTrz中获得了长寿命。PPCzTrz和PCzTrz器件在1,000 cd m^–2时的器件寿命分别为117±4和97±2 h；在100 cd m^–2时分别为7400±240和6100±100 h。

图4 顶部发射器件的器件性能

Jeon, S.O., Lee, K.H., Kim, J.S. et al. High-efficiency, long-lifetime deep-blue organic light-emitting diodes. Nat. Photonics (2021). DOI:10.1038/s41566-021-00763-5