通訊單位：三星電子，成均館大學
在深藍色有機發光二極體（OLED）中同時實現高效率和長壽命是具有很大挑戰性的。為此，韓國三星電子Soon Ok Jeon, Hyeonho Choi和成均館大學Jun Yeob Lee報道了熱啟用延遲熒光（TADF）有機發光二極體，透過將藍色TADF材料的新設計與三重態激子回收協議相結合同時實現了高效率和長壽命目標。將兩種TADF材料（一種分佈和一種發光）摻雜到主體中，以形成三重態激子分佈的TADF器件。單重態激子經級聯能量轉移透過分佈的TADF材料從宿主轉移到發光體，而三重態激子透過低三重態能量主體和分子之間的三重態激子迴圈過程作為單重態激子轉移到發光體。最終，三重態激子分佈的TADF器件獲得了高達33.5±0.1的外量子效率，校正的色座標電流效率為400 cd A-1，壽命超過 5,000小時和y色座標低於0.10。相關結果以“High-efficiency, long-lifetime deep-blue organic light-emitting diodes”為題發表在Nature Photonics期刊上。
【研究內容】
器件設計和材料開發
為了達到較高的EQE和較長的裝置壽命，人們提出了一種使用TADF發光體透過低三重態能量宿主分佈深藍色TADF發光體的三重態激子的概念裝置，如圖1所示。在傳統的TADF器件結構中（圖1a），高三重態能量宿主透過Forster和Dexter能量轉移過程誘導TADF發光體的發光。因此，宿主必須具有比TADF發光體更高的三重態能量，以禁止反向能量傳輸。相反，當使用低三重態能量宿主時，三重態激子被淬滅，導致TADF裝置的EQE較低。使用高三重態能量宿主時，會收穫所有單重態和三重態激子，從而導致TADF裝置的EQE較高。但是，三重態激子的巨大貢獻通常會縮短TADF器件的器件壽命，高三重態能量宿主的穩定性也很差。
圖1 發光機理
為了解決傳統TADF器件的問題，研究人員提出了利用三重態能量宿主的TED-TADF概念裝置（圖1b）。使用低三重態能量宿主可以確保材料的穩定性，而採用低發射能量的第二個TADF發光體可以回收由主體淬滅的三重態激子，同時主要收穫單重態激子。因此，非輻射三重態激子變成了輻射單重態激子，這提供了一種收集三重態激子的替代方法，同時獲得TADF器件的高EQE且長壽命。
為了實現TED-TADF概念器件，PPCzTrz和PCzTrz被選為TADF發光體。
器件效能
當以3.10 eV高三重態能量的DPEPO為發光體宿主時，TADF器件的EQE較高，分別為34％（PPCzTrz）和23％（PCzTrz）（圖2a）。結果表明，兩個TADF發光體是有效的藍光發射器。圖2b中的電致發光光譜證實了它們的深藍色發光特性。但是，由於DPEPO宿主的穩定性較差，PPCzTrz和PCzTrz的器件壽命太短。
圖2 傳統TADF器件效能
當將oCBP：CNmCBPCN混合體（在藍色磷光OLED中提供高EQE和長器件壽命）嵌入藍光TADF器件中，作為PPCzTrz和PCzTrz宿主時，可得到穩定的藍光LED。圖2c中的EQE-亮度資料結果表明，基於混合宿主的TADF器件的EQE遠低於基於DPEPO器件的EQE，PPCzTrz和PCzTrz的TADF器件的EQE分別僅為10.0和5.9％，這是因為混合宿主可猝滅三重態激子。然而，如圖2d所示，在混合宿主器件中，器件的壽命大大延長了。
由於在TADF器件中難以同時實現較高的EQE和較長的器件壽命，因此作者設計了一種新的器件結構TED-TADF來提高效能。以發射光譜窄的ν-DABNA作為深藍色TADF發光體，TED-TADF器件是使用混合宿主oCBP:CNmCBPCN (50:50)、分佈TADF材料（PPCzTrz或PCzTrz）、ν-DABNA作為發光層。圖3a為完整的器件結構和能級圖。
圖3底部發射器件的資料。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為33.2±0.2％，但在1,000 cd m –2時的EQE僅為17.7±0.2％，這是由於在高電流密度下由三重態激子猝滅引起的效率下降。分佈的TADF材料和ν-DABNA的摻雜濃度影響了TED-TADF器件的EQE。經過最佳化的PPCzTrz和PCzTrz的TED-TADF器件的最大EQE分別為33.0±0.3％和33.5±0.1％，並且EQE在1,000 cd m–2分別為25.2±0.8％和23.8±0.2％。儘管最大EQE非常相似，但TED-TADF器件在高亮度下的較高EQE可能是由於單重態激子透過分佈TADF材料的貢獻作用增大。更高的ν-DABNA和PPCzTrz摻雜濃度提高了TADF器件的EQE，但由於與ν-DABNA發光體的分子相互作用，發光峰發生了紅移。TED-TADF器件壽命（LT50，在1,000 cd m–2時，初始亮度下降50％的時間）可達151±3 h，比僅有分佈或者發光TADF材料的TADF器件的壽命長3.8倍。TED-TADF器件在100 cd m–2下具有9,500±150 h的執行壽命。
基於TED-TADF器件的窄發射光譜，開發了頂部發射器件，以利用反射微腔效應來最大化器件的效率。PPCzTrz和PCzTrz器件的最大電流效率值分別為32.8±0.9和38.9±1.0 cd A-1（圖4a）。PPCzTrz和PCzTrz器件的最大EQE/1,000 cd m–2的EQE分別為 29.3±0.9/21.4±0.7和34.4±0.9/21.9±0.3%（圖4b），PPCzTrz和PCzTrz器件的EQE是y色座標低於0.10的深藍色OLED的最高EQE。到目前為止，y值色座標低於0.10的深藍色OLED的最佳EQE的僅為24.8％。利用頂部發射器件的微腔結構（圖4c），分別獲得了0.12和0.09的相應CIE-x和CIE-y座標。此外，如圖4d所示，在PPCzTrz中獲得了長壽命。PPCzTrz和PCzTrz器件在1,000 cd m–2時的器件壽命分別為117±4和97±2 h；在100 cd m–2時分別為7400±240和6100±100 h。
圖4 頂部發射器件的器件效能
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
https://doi.org/10.1038/s41566-021-00763-5