圖1. 發(fā)表的論文截圖
文章共同通訊作者是李峰教授（吉林大學(xué)）、Richard H. Friend教授（劍橋大學(xué)）；共同第一作者是艾心（吉林大學(xué)）、董圣之（吉林大學(xué)）、Emrys W. Evans博士（劍橋大學(xué)）；第一完成單位為吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室。
發(fā)光器件是顯示與照明領(lǐng)域中的關(guān)鍵元件，相比于傳統(tǒng)發(fā)光二極管（LED），基于有機(jī)發(fā)光材料的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）因具有對比度高、超薄以及可彎曲等優(yōu)點，在顯示與照明領(lǐng)域擁有巨大的市場價值與應(yīng)用前景，并已部分應(yīng)用于手機(jī)、手表、電視等設(shè)備的顯示屏幕。由于OLED中生成比例達(dá)75%的三線態(tài)激子通常因躍遷禁阻而不發(fā)光，因此，如何利用三線態(tài)激子實現(xiàn)100%的內(nèi)量子效率（IQE）已成為OLED領(lǐng)域近30年來的研究熱點和難點。迄今為止，科學(xué)家們主要通過采用磷光和熱活化延遲熒光（TADF）的發(fā)光方式，利用電致發(fā)光過程中產(chǎn)生的單線態(tài)和三線態(tài)激子，從而達(dá)到100%的IQE。
李峰教授從事OLED研究近20年，在認(rèn)識到三線態(tài)激子躍遷禁阻的本質(zhì)之后，提出了雙線態(tài)激子發(fā)光的OLED發(fā)光新原理，利用自由基發(fā)光材料在OLED的發(fā)光區(qū)中只形成雙線態(tài)激子，雙線態(tài)激子沒有躍遷過程中的自旋禁阻問題，器件的IQE理論上是100%，從而避開了長久以來的三線態(tài)激子的利用問題。基于此，李峰教授研究團(tuán)隊于2015年首次將有機(jī)發(fā)光自由基TTM-1Cz應(yīng)用于OLED發(fā)光層制得了紅光器件，并證實器件的發(fā)光來源于雙線態(tài)激子（Angew. Chem., Int. Ed., 2015, 54, 7091-7095）；隨后的研究工作中，研究團(tuán)隊不斷改良自由基發(fā)光材料及器件結(jié)構(gòu)，使得器件效率不斷提高，同時還證實了基于有機(jī)發(fā)光自由基的OLED可以實現(xiàn)100%的雙線態(tài)激子生成比例（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 35472-35478;Chem. Mater., 2017, 29, 6733-6739;J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9, 6644-6648）；研究團(tuán)隊還首次制備出了穩(wěn)定的室溫發(fā)光二苯甲基自由基，拓展了發(fā)光自由基的材料體系（Angew. Chem., Int. Ed., 2018, 57, 2869-2873）。
在前期研究的基礎(chǔ)上，李峰教授研究團(tuán)隊以TTM自由基作為核心，以PCz和NCz兩個咔唑衍生物作為給體（Donor），得到了兩個高效的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（CT）紅光自由基TTM-3NCz、TTM-3PCz（如圖2所示）。這種Donor-Radical結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計大幅提高了發(fā)光自由基分子的穩(wěn)定性以及發(fā)光效率，兩個分子甲苯溶液中的光致發(fā)光效率分別達(dá)到49%和46%，其摻雜薄膜的光致發(fā)光效率分別達(dá)到90%和61%。
圖2 自由基TTM、TTM-3NCz和TTM-3PCz的分子結(jié)構(gòu)
在吉林大學(xué)培英計劃的支持下，通過與劍橋大學(xué)Richard H. Friend教授研究團(tuán)隊合作，以TTM-3NCz、TTM-3PCz摻雜薄膜為發(fā)光層制備的OLED最大EQE分別達(dá)到27%和17%（如圖3所示），其中27%的EQE已接近100%IQE的理論極限值，是目前為止已報道的深紅光/近紅外光發(fā)光二極管（LED）中的最高值。同時，瞬態(tài)光譜和理論計算結(jié)果表明：器件的發(fā)光來自于自由基雙線態(tài)激子SOMO→HOMO的躍遷。該研究成果是OLED研究領(lǐng)域的重大突破，展現(xiàn)了發(fā)光自由基在有機(jī)光電領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為OLED的研究開辟了新的方向。
圖3 基于TTM-3NCz、TTM-3PCz的OLED的能級結(jié)構(gòu)以及EQE曲線
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃和973計劃、國家留學(xué)基金委訪問學(xué)者項目和吉林大學(xué)培英工程計劃的支持。
據(jù)悉，李峰是吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室教授、博士生導(dǎo)師，近年來一直致力于新型發(fā)光方式、發(fā)光機(jī)理的高效有機(jī)發(fā)光材料及器件的研究，相關(guān)工作成果發(fā)表于Nature，Angew. Chem., Int. Ed.，Adv. Mater.等國際頂級期刊。研發(fā)的雙線態(tài)自由基發(fā)光材料與器件已經(jīng)獲得了中國和美國的發(fā)明專利授權(quán)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0695-9
《Nature》雜志的新聞報道與評論：https://www.nature.com/articles/d41586-018-07394-x
