眾裡尋他千百度,OLED發光材料新突破

2020-11-22 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學

封面圖1：CuPCP在電流作用或者紫外光照射下都可以發出很強的綠光

圖片來源：University of Bremen/Matthias Vogt

撰稿 | 楊向飛

01

導讀

人們一直在尋找更高性能的有機發光二極體（OLED）材料，希望得到高效、廉價、可大面積製備的發光底物分子。最近，Paul Scherrer研究所對OLED發光過程有了新的理解，為新型照明和顯示應用的快速、經濟發展鋪平了道路。相關工作發表在了 Nature Communication 期刊上。

圖2. OLED高清顯示屏

圖片來源：AOL.

02

研究背景

OLED （Organic Light-Emitting Diode）即有機發光二極體，基於OLED的顯示無需背光燈，採用非常薄的有機材料塗層和玻璃基板(或柔性有機基板)，當有電流通過時，這些有機材料就會發光。相比於傳統的LCD顯示器，OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，並且能夠顯著地節省耗電量，被稱譽為「夢幻顯示器」。因此，OLED技術的發展對於未來的柔性顯示和新型照明領域起著決定性作用。

目前，提高電致發光器件性能的焦點都在於最大化利用體系中產生的激子。傳統的有機染料分子由於其本身的螢光發射過程所限制，內量子效率的理論極限只有25%；後來有人發現將鉑(Pt)，銥(Ir)等重金屬元素引入配合物中可以打破這個極限，這類發光分子可以從低激發三線態發射出更強的光，量子效率可以達到100%，被稱為磷光有機發光二極體(PHOLEDs)。

但是，PHOLEDs需要價值不菲的貴金屬作為原料，成本很高。因此，相關研究面臨的一個主要挑戰就是如何在不使用稀有貴金屬的情況下實現發光效率的提高。

在過去的幾年裡，隨著熱致延遲螢光（TADF）的發現，更加綠色經濟的Cu配合物發光分子進入了大家的視野。Cu配合物三線態的特殊性質能夠賦予其更亮的發光。由自旋統計學可知，電學激發單線態與三線態激子的比值為1:3，當自旋-軌道耦合作用比較弱的時候，以單線態激發態的發射為主，量子產率僅有25%；對於PHOLEDs而言，三線態是活性發射態，貴金屬增強的自旋-軌道耦合作用有利於從激發單線態到三線態的系間竄越，進而增強發光，內量子產率可達100%。

在Cu螢光材料的發光過程中，還有一種情況：強自旋-軌道耦合可以促進單線態和三線態之間的躍遷，但是三線態的發射效率不高；在單線態和三線態能級差很小的情況下，就會發生從三線態到單線態的熱致能量反轉移，進而從單線態產生延遲的強發光，即TADF；這種情況下內量子產率也可以達到100%。

配合物分子結構重排和電荷轉移都會影響到能級位置以及能量轉移過程，進而影響到輻射躍遷的效率，因此有必要對它們進行系統地探究。隨著X射線自由電子雷射器和同步加速器泵浦-探測技術的發展，我們可以從實驗上定量對上述性質進行表徵。

03

創新研究

為了研究上述問題，作者選擇了具有強綠光發射的Cu-PCP配合物作為研究對象，藉助同步輻射X射線吸收譜、X射線發射譜和X射線溶液散射譜表徵技術，對這種有巨大應用潛力的發光分子三線態電荷轉移圖像進行了詳細地研究。

3.1

三線態Cu團簇電荷探測

Cu元素的X射線K邊吸收譜對其氧化態的變化非常敏感。

作者利用泵浦-序列探測裝置對發光分子的基態以及瞬時近邊吸收譜進行了測試，結果如圖3所示。通過與理論模擬結果進行對比分析可得：P-配位的Cu原子主峰相比於C-配位的Cu原子向低能量方向移動；從瞬態實驗數據可知，兩種配位環境下的Cu原子均參與了能量轉移過程。

圖3. Cu-PCP配合物中Cu原子的K邊X射線吸收譜：帶error bar的黑線為K邊瞬態吸收示差譜；藍線表示基態吸收譜；最下方黑線和藍線分別為理論計算基態P-配位和C-配位的Cu原子吸收譜。分析可得，兩種配位原子均參與了電荷轉移過程。

圖片來源：Smolentsev, G., Milne, C.J., Guda, A. et al. Taking a snapshot of the triplet excited state of an OLED organometallic luminophore using X-rays. Nat Commun 11, 2131 (2020). Fig. 2

3.2

P原子參與的電荷轉移

隨後，研究者測試了Cu-PCP配合物中三線態P原子Kα線X射線發射譜，實驗裝置如圖4 (a)所示。P原子的Kα線X射線發射譜對電子密度變化很敏感，因此，通過此測試可以評估P原子在電荷轉移中究竟扮演了什麼樣的角色。

實驗原理中0.1 eV的主峰能量移動對應著1電子電荷的轉移，通過X射線瞬態發射譜的主峰移動（圖4(b)）可以計算出，激發過程中P原子平均電荷變化值為0.097個電子。

圖4. Cu-PCP配合物中P原子Kα線X射線發射譜測試：(a)實驗裝置示意圖；(b) P原子三線態Kα線X射線發射譜（黑色點線）及通過發射譜線移動計算所得曲線（藍線）。

圖片來源：Smolentsev, G., Milne, C.J., Guda, A. et al. Taking a snapshot of the triplet excited state of an OLED organometallic luminophore using X-rays. Nat Commun 11, 2131 (2020). Fig. 3

3.3

Cu-PCP配合物的三線態結構變化表徵

X射線散射信號對富電子體系的結構變化尤其敏感；因此，利用X射線溶液態散射譜（也叫廣角X射線散射）可以直接指示Cu原子相對位置的變化情況。

實驗測試了100皮秒，1納秒和2微秒的時間分辨散射譜，結果如圖5所示。散射信號來源主要為Cu-PCP分子的結構重排和溶劑的熱量、密度變化。結合對照試驗排除溶劑的幹擾，並進行擬合計算可以得知光激發之後，C-配位Cu原子之間的距離增加了0.05 A，而P-配位Cu原子之間的距離減小了0.12 A；C-配位Cu原子與P-配位Cu原子之間的平均距離從單線態的2.87 A變化到三線態的2.83 A。

圖5. Cu-PCP配合物泵浦-探測X射線散射譜；包含光激發2 us, 100 ps, 1 ns後的時間分辨散射譜及考慮結構變化後DFT模擬所得的散射示差譜。

圖片來源：Smolentsev, G., Milne, C.J., Guda, A. et al. Taking a snapshot of the triplet excited state of an OLED organometallic luminophore using X-rays. Nat Commun 11, 2131 (2020). Fig. 4

04

總結

結合上述三種X射線譜圖，可以得知：光激發過程不僅發生了電荷的轉移，還伴隨著分子結構的變化；激發態P原子和Cu原子都參與了電荷的轉移過程；因此後續可以考慮通過合理選擇、替換配體，分別探究P原子及Cu原子電子密度的變化對激發態和發光性質的影響。

此外，Cu-PCP配合物非局域的電荷移動性質、結構剛性、良好的溶解性和穩定性意味著陽離子有機金屬Cu團簇會為我們提供一系列製備光電OLED器件的理想材料。

文章信息：

相關成果以「 Taking a snapshot of the triplet excited state of an OLED organometallic luminophore using X-rays 」為題發表在 Nature Communications。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15998-z

▶【】

公眾號時間軸改版，很多讀者反饋沒有看到更新的文章，據最新規則，建議：多次進「中國光學」公眾號，閱讀3-5篇文章，成為「常讀」用戶，就能及時收到了。

歡迎課題組投遞成果宣傳稿

轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024

Banner 區域

往期推薦

走進新刊

開 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 網 站：www.light-am.com

敬請期待

新 刊：eLight

ISSN 2662-8643

即 將 隆 重 上 線

這是中國光學發布的第1306篇，如果你覺得有幫助，轉發朋友圈是對我們最大的認可

【長春光機所·Light學術出版中心-期刊導航】

原標題：《眾裡尋他千百度—OLED發光材料新突破》

閱讀原文

相關焦點

  • OLED與LED的發光原理區別
    在這種背景之下，OLED應時而生，為廣大商家開闢新的市場提供了廣闊的前景，那麼OLED和LED的區別到底在哪，它們的發光原理又是什麼，下面我們一起來探討一下　　LED用的是金屬材料，而oled用的是有機物材料，兩者的發光原理是一樣的，區別在於oled不需要背光源,自己本身會發光,是採用發光二極體陣列組成.
  • OLED新材料實現量產 發光材料成本有望大幅下降
    &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp用有機發光材料替代稀有金屬&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp新材料打開OLED「突破窗口」&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&
  • 帥氣的男士側分短髮,眾裡尋他千百度
    回到大自然懷抱裡的你，好像也找回了小時候的自己，他可能有點幼稚和調皮但是卻也很可愛和單純，側分的蓬鬆短髮保持著隨性的風格，你與自然的距離又更近了一步。四六分奶奶灰男士短髮，時尚又帥氣，你懷抱貓咪時溫柔的眼神，讓人看到了你不羈外表下溫柔的一面，你也不過是一個需要人疼的孩子而已。
  • 如何看懂OLED與LED發光原理的區別
    在這種背景之下，OLED應時而生，為廣大商家開闢新的市場提供了廣闊的前景，那麼OLED和LED的區別到底在哪，它們的發光原理又是什麼，下面我們一起來探討一下　　LED用的是金屬材料，而oled用的是有機物材料，兩者的發光原理是一樣的，區別在於oled不需要背光源,自己本身會發光,是採用發光二極體陣列組成.亮度要比LED液晶高,厚度更薄,是今後LED液晶屏的替代品.LED液晶屏需要背光源
  • oled和lcd哪個傷眼睛 oled和量子點電視的區別有哪些
    市面上有oled電視機與lcd電視機，僅僅是從名稱上就能看出兩者的材料不同，oled和lcd在傷眼的程度上同樣存在差異。oled和lcd哪個傷眼睛？還有oled與量子點電視是否存在差別？如何才能更好地區分？今日我們就來聊聊oled電視。
  • 眾裡尋他|點滴女郎EVA體驗XC60北歐生活
    眾裡尋他千百度。驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。要問我最喜歡哪個品牌的生活態度，我一定會選擇沃爾沃。如果要問理由？低調有內涵。還記得各個品牌車主的畫像嗎？據調研統計，沃爾沃車主的文化水平和學歷最高，這也反映出了沃爾沃作為一個品牌歷史悠久，技術實力雄厚的傳統車廠，獻給世人的獨特厚禮。
  • OLED的結構原理及其發光過程解析
    oled的原理 　　OLED是指在電場驅動下，通過載流子注入和複合導致發光的現象。其原理是用ITO玻璃透明電極和金屬電極分別作為器件的陽極和陰極，在一定電壓驅動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子和空穴傳輸層，然後分別遷移到發光層，相遇形成激子使發光分子激發，後者經過輻射後發出可見光。
  • 臺清大研發低成本OLED新材料,發光效率全球第一
    ，目前，臺灣清大化學系教授鄭建鴻與劉瑞雄、材料系教授林皓武共同研發的「新型雙硼發光材料組件」，效能打破目前世界紀錄，給臺灣的面板界帶來新一波高峰。目前臺灣LCD面板產業面臨產業轉型與技術升級的轉折點，鄭建鴻、劉瑞雄、林皓武組成的團隊，成功地在「新型雙硼發光材料組件」研究上有重大突破，成果登上國際光電領域排名第一的《自然光電（Nature Photonics）》期刊，在臺灣獲得專利、並已申請美、日、大陸專利。
  • OLED發光材料專題報告:以技術之矛突破專利之盾
    因此，國內領先的 OLED 面板廠商採取扶植本土 材料企業的方法來降低關鍵供應「卡脖子」的風險。如從維信諾分離出來 的鼎材科技專注研產新一代 OLED 發光材料，華星光電也成立子公司華睿 光電來開發 OLED 發光材料。
  • 國際OLED藍光材料形成壟斷格局，TADF技術開發如火如荼
    由此可見，發光材料是OLED顯示技術自發光的基礎，直接決定了OLED的發光特性。OLED的三種顏色的發光材料中，藍光摻雜材料的發射波長最短，因此能壘最高；並且與之匹配的金屬材料種類較少。此外，由於藍光材料癿能隙較寬，對載流子注入發光層的效率有影響，進而影響器件的整體性能，導致藍光材料效率和壽命都不如紅綠光材料。
  • 新技術通過釋放光子,使OLED可獲得高達76.3%的量子效率!
    由於發光二極體只產生單色光，製造商使用各種添加劑混色工藝來產生白光。自20世紀90年代首次開發白色oled以來，為了在實際亮度水平上實現平衡的白光光譜和高光效，科學家付出了大量的努力。然而沒有額外外耦合技術的白色oled外量子效率(EQE)今天只能達到20%到40%。大約20%產生的光粒子(光子)仍然被困在玻璃層中。其原因是玻璃與空氣界面上粒子的全內反射。
  • OLED發光材料分為螢光發光材料和磷光發光材料
    【導讀】：OLED發光材料的分類有多種，根據發光方式來分，可分為螢光發光材料和磷光發光材料。
  • 上轉換發光領域新突破 這個粉末可輕鬆將紅外光轉可見光
    在杭州電子科技大學丁明燁教師正在從事的一項名為「上轉換發光」的研究，正在將這個奇特的現象變成影響人們生活的重要成果。　　上轉換發光，又被稱為「反-斯託克斯發光」，由斯託克斯定律而來。斯託克斯定律認為材料只能受到高能量的光激發，發出低能量的光，換句話說，就是波長短的頻率高的激發出波長長的頻率低的光。比如紫外線激發發出可見光，或者藍光激發出黃色光，或者可見光激發出紅外線。
  • oled透明屏寬視角技術更具創意節能環保
    oled透明屏更具創意，更具科技元素，全高清、寬視角，色彩更飽滿，節能環保。現在越來越多的oled屏被廣泛應用，教育oled屏，會議室oled屏，商場oled屏，指揮中心oled屏很多場合都適合，越是高端就越能彰顯它的優勢與特色。
  • OLED材料分類及主要代表廠商,OLED發光材料/通用材料市場規模
    主要手機品牌廠商如華為、OPPO、vivo、小米、蘋果、三星等新推出的旗艦機型均採用AMOLED顯示技術，大大增加了OLED面板的需求。2017年，中國OLED電視的銷量達到12萬臺，索尼、飛利浦、LG、創維、康佳等電視廠商為實現差異化銷售，均加入OLED陣營。業內樂觀估計，2018年中國OLED電視整體銷量規模將在2017年基礎上實現至少翻一番，這將在很大程度上增加對上遊OLED材料的需求。
  • OLED發光材料什麼時候才能實現國產化
    隨著OLED面板在智慧型手機的應用不斷深入，OLED市場在銷量和應用上實現了快速突破。但是從OLED材料的技術發展趨勢來看，中國材料企業並非沒有趕超的機會。目前，在國外材料企業和高校中，TADF（熱活化延遲螢光）技術開發如火如荼，大家都在積極布局專利。雖然現階段來看，該技術離產業化應用的指標還很遠，短期內實現產品應用的可能性比較小。但這項技術的產品突破能夠解決面板客戶藍光發光效率低的痛點和短板，最大可能的延展屏體設計空間。
  • 七彩星球中英文經典誦讀 兩情久長時,青玉案元夕,引領雙語誦讀新...
    七彩星球中英文經典誦讀—中秋 青青NICKRIS雙龍 阿爾法唯美誦讀《青玉案元夕》，《鵲橋仙》柔情似水，深情婉約，國際巨星風範，青青Nick大龍深情唯美，聲音甜美磁性，感人至深, 宛如鄧麗君美妙的聲音, 引領詩詞雙語誦讀新時尚，金風玉露一相逢便勝卻人間無數, 此誦讀只有天...
  • 【OLED材料技術】磷光發光材料vs.螢光發光材料
    OLED發光材料的分類有多種，根據發光方式來分，可分為螢光發光材料和磷光發光材料。從材料的發光機制來看，根據所有原子旋轉可能性組合，可以產生四種類型的激子旋轉分布狀態：一種非對稱性的單線態激子旋轉方式和三種對稱性的三線態激子旋轉方式。前者為螢光發光材料的發光機制，後者為磷光發光材料的發光機制。
  • 眾裡尋他千百度,驀然回首,那人正在寫論文
    要求嚴格的那些課題組，還需要他們每天都去實驗室裡打卡。更值得羨慕的是，他們的論文選題往往是某項大課題組裡的一部分，前有無數師兄師姐引路，後有導師前輩保駕護航。相較而言，我們文科生就「自由散漫」得多了，每人都抱著一個獨屬自己的小眾選題，不是躲在圖書館就是躲在咖啡廳，不是躲在咖啡廳就是躲在宿舍，默默思考人生。
  • OLED屏，電壓只要2.9伏，就達到現代屏幕亮度的100倍！
    有機發光二極體（oled）不再由含有半導體材料鎵的化合物組成，而是由以碳為主要成分的有機化合物組成。然而，與傳統的發光二極體相比，OLED屏幕的亮度和壽命目前較低，這就是為什麼它們代表了一個當前的研究領域。由Gert-Jan Wetzelaer博士(Paul Blom教授所在系)領導的MPI-P的科學家們現在已經開發出一種新的OLED屏幕概念。如今，有OLED屏管由各種薄如晶片的層組成。