太原理工大学苗艳勤团队在白光OLEDs研究领域取得进展

导读

白光OLEDs被誉为继LEDs后新一代照明光源，具有面发射、光色柔和、无蓝害等优点，用作室内照明对人体健康及眼睛防护起到很好的保护，此外，其超薄和柔性制备特征将完全颠覆目前市面上照明灯具结构的设计，并为未来室内外照明及照明装潢提供全新的概念，在车载照明、医用照明等领域也有巨大应用市场，成为近年来学术及产业界研究的焦点。

经过多年的发展，白光OLEDs在器件性能方面已取得巨大进展，如已有文献报道了白光OLEDs功率效率达到或超过荧光灯管的水平（> 60 lm/W）。伴随着高器件性能的实现，一些照明厂商如飞利浦、欧司朗及我国的翌光科技有限公司等相继推出小尺寸照明产品，促进了白光OLEDs的商品化进程。

尽管如此，白光OLEDs仍存在器件结构及制备工艺复杂、功率效率偏低、色品质及色稳定性有待进一步提高等问题，极大地制约了其大规模商业化推广应用。

太原理工大学苗艳勤副教授及其所在团队近年来一直致力于白光OLEDs课题的研究，设计出一系列新型器件结构，并深入研究了器件结构、发光机制及器件性能的关系，成功开发出一系列结构简单、高效及高色品质的白光OLEDs。相关研究进一步揭示了白光OLEDs的发光机制，促进了白光OLEDs的技术成熟，为推动白光OLEDs的商业化发展起到积极作用。

研究进展

采用磷光发光材料，OLEDs器件理论上可以实现100%的激子利用率（25%的单线态激子和75%的三线态激子），非常有利于高效率的实现。但磷光材料长寿命的三线态激子使得磷光OLEDs普遍展现出严重的效率滚降，即大部分高效率磷光OLED的最大效率往往都在极小的亮度下取得，随电压升高，由于三线态-三线态激子的高浓度猝灭，器件效率展现出快速下降，使其在实际应用亮度下效率并不高，限制了全磷光OLED产品的推广与普及。

针对此，苗艳勤副教授设计了由空穴传输性主体/空穴传输性主体：电子传输性主体/电子传输性主体构建的三明治主体结构的新型发光层，如图1所示。研究证明，在项目组设计的三明治主体发光层器件中，主要的载流子复合区域位于中间共掺杂混合主体层，且有平衡的分布，随驱动电压升高，共掺杂混合主体层中的载流子复合区域分布几乎不发生变化，可实现对载流子复合区域精确的管理；由于三线态激子较长的寿命，在中间混合主体层形成的激子能向两侧单电子和单空穴主体层扩散，拓宽激子分布，可抑制了主要复合区域中激子的高浓度猝灭，实现激子的高效利用。

图1：由空穴传输性主体/空穴传输性主体:电子传输性主体/电子传输性主体构建的三明治主体发光层结构的OLED中载流子复合区域及激子分布示意图。

基于上述分析，苗艳勤副教授开发了基于三明治主体发光层结构的蓝、绿、黄及红单色光OLEDs，如图2a所示。所有蓝、绿、黄及红单色光OLED均实现非常高的器件效率，最大EQE分别达到21.79%、21.71%、23.85%及23.99%。此外，除蓝色磷光材料本身的稳定性差导致蓝光器件严重的效率滚降外，所有绿、黄及红色OLED都展现出极低的效率滚降，如在5000 cd/m2的亮度下，三个器件的EQE仍达到20.34%、20.95%及20.07%，如图2a所示。

在此基础上，设计了黄-蓝-黄对称的三明治主体发光层白光OLEDs，简单调节三明治主体发光层中中间蓝光发光层的厚度，可实现对白光OLEDs光谱的有效调控，且不影响对应器件的电致发光性能，制备的蓝-黄互补色白光OLEDs实现大于22%的EQE及高的色稳定性（J. Mater. Chem. C 2018, 6, 8122）。

进一步，将三明治主体发光层引入叠层器件结构中，仅仅采用一个电荷产生单元连接两个电致发光单元制备了的三色和四色叠层白光OLEDs，两类器件均同时实现超高的器件效率、色品质和色稳定性，如图2b所示（Nanophotonics 2019, 8, 1783）。

图2：(a) 三明治主体发光层单色光OLEDs器件结构图及对应器件的EQE-亮度曲线图；(b) 基于三明治主体发光单元的三色、四色叠层白光OLEDs及四色叠层白光OLEDs不同电压下的电致发光光谱。

磷光OLEDs涉及复杂的掺杂工艺，导致器件复杂的制备过程和差的重复性。基于该问题，苗艳勤副教授提出采用磷光超薄层结构取代磷光掺杂发光层开发白光OLEDs。

团队深入探索了磷光超薄层的薄膜存在形式、激子形成机制及能量传递方式，证明了磷光超薄层引入到蓝色荧光发光层（或传统掺杂发光层）中并未影响发光层中主要的激子形成机制，但磷光超薄层的嵌入位置对激子利用及白光OLEDs的光谱调控至关重要，并赋予白光OLEDs更灵活的器件结构设计（iScience 2022, 25, 103804；ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 37873）。

基于此，团队创新性地提出将长波段磷光超薄层引入到蓝色荧光层构建发光层的思路。采用超薄发光层与掺杂发光层结合，开发了一系列高性能的荧光/磷光混合白光OLEDs（J. Mater. Chem. C 2017, 5, 12474）。

其中将绿、黄及红光磷光超薄层嵌入蓝色荧光发光层中，通过简单地调整绿、黄及红光磷光超薄层嵌入蓝色荧光发光层中的顺序，可实现对四色白光OLEDs光谱的有效调节，制备的最优四色白光OLEDs同时实现高的EQE（19.34%）、显色指数（96）及色稳定性（Nanophotonics 2018, 7, 295；J. Mater. Chem. C 2018, 6, 9811），如图3所示。

进一步，团队提出仅仅包含三个有机层的更简单的双色全荧光白光OLEDs，即器件由一个载流子调节层嵌入到具有黄光发射的空穴传输层和具有蓝光发射的电子传输层构成，制备的双色白光OLED的显色指数达到86，并且展现出极高的色稳定性（J. Lumin. 2021, 239, 118343）。

图3：超薄磷光层四色混合白光OLED的器件结构及不同电压下的电致发光光谱和实物照片。

利用激基复合物宽光谱特性，团队通过结合激基复合物和传统荧光层的同时发射，实现了一系列高显色指数白光OLEDs的开发，强化了激基复合物在发展高性能白光OLEDs中的作用（J. Lumin. 2018, 201, 224；Org. Electron. 2020, 83, 105746）。

在此基础上，团队探索了共给体或共受体激基复合形成及能量传递机制，有效解决了同一个器件中引入多个颜色互补的激基复合物困难的问题，为白光OLEDs的发展提供了新的思路。

如团队通过真空热蒸镀沉积数个电子受体材料在同一电子给体材料膜层上，构建了界面互补色激基发射的全激基白光 OLEDs（J. Mater. Chem. C 2020, 8, 2772）；进一步，设计了无界面形成的三明治全激基发光单元，发光单元的三个发光层之间均由共给体或共受体共掺杂形成，且三个发光层中形成颜色互补的激基发射，复合形成白光（J. Mater. Chem. C 2020, 8, 12247）。

最近，结合同一材料本征的蓝光发射及其与其它给体形成的绿光和橙红光激基发射，团队证明了结构简单、高显色指数的三色白光OLEDs，最大显色指数达到97，如图4所示（J. Mater. Chem. C 2022, 10, 6654）。

图4：基于同一材料（OCT）本征发射（蓝光）和形成激基复合物发射（绿和橙红光）的超高显色指数三色白光OLED的发光机制及不同电压下的发光光谱图。

激基复合物是给受体材料间电荷转移激发态发光，具有较小的单-三线态能级差，能实现三线态激子的上转化，呈现出热激活延迟荧光（TADF）特性。最近，团队提出采用TADF界面激基复合物敏化磷光超薄层，构建单色及白光OLEDs，利用TADF激基复合物到磷光超薄层的多通道能量传递，实现超简单、高效率单色及白光OLEDs的开发。如制备的蓝、绿、黄、红及白光OLEDs的最大EQE分别达到30.21%、22.76%、24.50%、20.90%及23.88%（Chem. Eng. J. 2023, 461,141921），如图5所示。

图5：TADF界面激基复合物敏化磷光超薄层单色及白光OLEDs的工作机制和相关性能指标。

为了促进OLEDs的产业化转化，研究团队在大尺寸OLEDs辅助电极的设计、大尺寸单色及白光OLEDs的制作、OLEDs封装及寿命分析等方面也做了大量探索性工作，积累了丰富的经验，取得了较好的研究成果。图6为课题组制备的大尺寸（20 mm × 20 mm）白光OLEDs器件照片，初步证明了研究成果在商业化推广方面的可行性及潜在应用前景。

图6：团队研发的大尺寸（20 mm ×20 mm）白光OLEDs照亮彩色糖果的实物照片

展望

为了促进白光OLEDs技术从实验室向商业化大规模转化，通过更简单的制备工艺，实现更高综合性能、更稳定光谱、更长操作寿命的白光OLEDs是关键。仍需科研人员开发更高效、稳定的发光材料，同时不断揭示器件的物理机制，设计新颖器件结构，构建器件结构与器件性能的内在关系，促进白光OLEDs技术的不断成熟。（来源：中科院长春光机所Light学术出版中心旗下学术传播与服务平台——中国光学）

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