導讀

白光OLEDs被譽為繼LEDs后新一代照明光源，具有面發(fā)射、光色柔和、無藍害等優(yōu)點，用作室內(nèi)照明對人體健康及眼睛防護起到很好的保護，此外，其超薄和柔性制備特征將完全顛覆目前市面上照明燈具結構的設計，并為未來室內(nèi)外照明及照明裝潢提供全新的概念，在車載照明、醫(yī)用照明等領域也有巨大應用市場，成為近年來學術及產(chǎn)業(yè)界研究的焦點。

經(jīng)過多年的發(fā)展，白光OLEDs在器件性能方面已取得巨大進展，如已有文獻報道了白光OLEDs功率效率達到或超過熒光燈管的水平（> 60 lm/W）。伴隨著高器件性能的實現(xiàn)，一些照明廠商如飛利浦、歐司朗及我國的翌光科技有限公司等相繼推出小尺寸照明產(chǎn)品，促進了白光OLEDs的商品化進程。

盡管如此，白光OLEDs仍存在器件結構及制備工藝復雜、功率效率偏低、色品質及色穩(wěn)定性有待進一步提高等問題，極大地制約了其大規(guī)模商業(yè)化推廣應用。

太原理工大學苗艷勤副教授及其所在團隊近年來一直致力于白光OLEDs課題的研究，設計出一系列新型器件結構，并深入研究了器件結構、發(fā)光機制及器件性能的關系，成功開發(fā)出一系列結構簡單、高效及高色品質的白光OLEDs。相關研究進一步揭示了白光OLEDs的發(fā)光機制，促進了白光OLEDs的技術成熟，為推動白光OLEDs的商業(yè)化發(fā)展起到積極作用。

研究進展

采用磷光發(fā)光材料，OLEDs器件理論上可以實現(xiàn)100%的激子利用率（25%的單線態(tài)激子和75%的三線態(tài)激子），非常有利于高效率的實現(xiàn)。但磷光材料長壽命的三線態(tài)激子使得磷光OLEDs普遍展現(xiàn)出嚴重的效率滾降，即大部分高效率磷光OLED的最大效率往往都在極小的亮度下取得，隨電壓升高，由于三線態(tài)-三線態(tài)激子的高濃度猝滅，器件效率展現(xiàn)出快速下降，使其在實際應用亮度下效率并不高，限制了全磷光OLED產(chǎn)品的推廣與普及。

針對此，苗艷勤副教授設計了由空穴傳輸性主體/空穴傳輸性主體：電子傳輸性主體/電子傳輸性主體構建的三明治主體結構的新型發(fā)光層，如圖1所示。研究證明，在項目組設計的三明治主體發(fā)光層器件中，主要的載流子復合區(qū)域位于中間共摻雜混合主體層，且有平衡的分布，隨驅動電壓升高，共摻雜混合主體層中的載流子復合區(qū)域分布幾乎不發(fā)生變化，可實現(xiàn)對載流子復合區(qū)域精確的管理；由于三線態(tài)激子較長的壽命，在中間混合主體層形成的激子能向兩側單電子和單空穴主體層擴散，拓寬激子分布，可抑制了主要復合區(qū)域中激子的高濃度猝滅，實現(xiàn)激子的高效利用。

圖1：由空穴傳輸性主體/空穴傳輸性主體:電子傳輸性主體/電子傳輸性主體構建的三明治主體發(fā)光層結構的OLED中載流子復合區(qū)域及激子分布示意圖。

基于上述分析，苗艷勤副教授開發(fā)了基于三明治主體發(fā)光層結構的藍、綠、黃及紅單色光OLEDs，如圖2a所示。所有藍、綠、黃及紅單色光OLED均實現(xiàn)非常高的器件效率，最大EQE分別達到21.79%、21.71%、23.85%及23.99%。此外，除藍色磷光材料本身的穩(wěn)定性差導致藍光器件嚴重的效率滾降外，所有綠、黃及紅色OLED都展現(xiàn)出極低的效率滾降，如在5000 cd/m2的亮度下，三個器件的EQE仍達到20.34%、20.95%及20.07%，如圖2a所示。

在此基礎上，設計了黃-藍-黃對稱的三明治主體發(fā)光層白光OLEDs，簡單調(diào)節(jié)三明治主體發(fā)光層中中間藍光發(fā)光層的厚度，可實現(xiàn)對白光OLEDs光譜的有效調(diào)控，且不影響對應器件的電致發(fā)光性能，制備的藍-黃互補色白光OLEDs實現(xiàn)大于22%的EQE及高的色穩(wěn)定性（J. Mater. Chem. C 2018, 6, 8122）。

進一步，將三明治主體發(fā)光層引入疊層器件結構中，僅僅采用一個電荷產(chǎn)生單元連接兩個電致發(fā)光單元制備了的三色和四色疊層白光OLEDs，兩類器件均同時實現(xiàn)超高的器件效率、色品質和色穩(wěn)定性，如圖2b所示（Nanophotonics 2019, 8, 1783）。

圖2：(a) 三明治主體發(fā)光層單色光OLEDs器件結構圖及對應器件的EQE-亮度曲線圖；(b) 基于三明治主體發(fā)光單元的三色、四色疊層白光OLEDs及四色疊層白光OLEDs不同電壓下的電致發(fā)光光譜。

磷光OLEDs涉及復雜的摻雜工藝，導致器件復雜的制備過程和差的重復性?；谠搯栴}，苗艷勤副教授提出采用磷光超薄層結構取代磷光摻雜發(fā)光層開發(fā)白光OLEDs。

團隊深入探索了磷光超薄層的薄膜存在形式、激子形成機制及能量傳遞方式，證明了磷光超薄層引入到藍色熒光發(fā)光層（或傳統(tǒng)摻雜發(fā)光層）中并未影響發(fā)光層中主要的激子形成機制，但磷光超薄層的嵌入位置對激子利用及白光OLEDs的光譜調(diào)控至關重要，并賦予白光OLEDs更靈活的器件結構設計（iScience 2022, 25, 103804；ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 37873）。

基于此，團隊創(chuàng)新性地提出將長波段磷光超薄層引入到藍色熒光層構建發(fā)光層的思路。采用超薄發(fā)光層與摻雜發(fā)光層結合，開發(fā)了一系列高性能的熒光/磷光混合白光OLEDs（J. Mater. Chem. C 2017, 5, 12474）。

其中將綠、黃及紅光磷光超薄層嵌入藍色熒光發(fā)光層中，通過簡單地調(diào)整綠、黃及紅光磷光超薄層嵌入藍色熒光發(fā)光層中的順序，可實現(xiàn)對四色白光OLEDs光譜的有效調(diào)節(jié)，制備的最優(yōu)四色白光OLEDs同時實現(xiàn)高的EQE（19.34%）、顯色指數(shù)（96）及色穩(wěn)定性（Nanophotonics 2018, 7, 295；J. Mater. Chem. C 2018, 6, 9811），如圖3所示。

進一步，團隊提出僅僅包含三個有機層的更簡單的雙色全熒光白光OLEDs，即器件由一個載流子調(diào)節(jié)層嵌入到具有黃光發(fā)射的空穴傳輸層和具有藍光發(fā)射的電子傳輸層構成，制備的雙色白光OLED的顯色指數(shù)達到86，并且展現(xiàn)出極高的色穩(wěn)定性（J. Lumin. 2021, 239, 118343）。

圖3：超薄磷光層四色混合白光OLED的器件結構及不同電壓下的電致發(fā)光光譜和實物照片。

利用激基復合物寬光譜特性，團隊通過結合激基復合物和傳統(tǒng)熒光層的同時發(fā)射，實現(xiàn)了一系列高顯色指數(shù)白光OLEDs的開發(fā)，強化了激基復合物在發(fā)展高性能白光OLEDs中的作用（J. Lumin. 2018, 201, 224；Org. Electron. 2020, 83, 105746）。

在此基礎上，團隊探索了共給體或共受體激基復合形成及能量傳遞機制，有效解決了同一個器件中引入多個顏色互補的激基復合物困難的問題，為白光OLEDs的發(fā)展提供了新的思路。

如團隊通過真空熱蒸鍍沉積數(shù)個電子受體材料在同一電子給體材料膜層上，構建了界面互補色激基發(fā)射的全激基白光 OLEDs（J. Mater. Chem. C 2020, 8, 2772）；進一步，設計了無界面形成的三明治全激基發(fā)光單元，發(fā)光單元的三個發(fā)光層之間均由共給體或共受體共摻雜形成，且三個發(fā)光層中形成顏色互補的激基發(fā)射，復合形成白光（J. Mater. Chem. C 2020, 8, 12247）。

最近，結合同一材料本征的藍光發(fā)射及其與其它給體形成的綠光和橙紅光激基發(fā)射，團隊證明了結構簡單、高顯色指數(shù)的三色白光OLEDs，最大顯色指數(shù)達到97，如圖4所示（J. Mater. Chem. C 2022, 10, 6654）。

圖4：基于同一材料（OCT）本征發(fā)射（藍光）和形成激基復合物發(fā)射（綠和橙紅光）的超高顯色指數(shù)三色白光OLED的發(fā)光機制及不同電壓下的發(fā)光光譜圖。

激基復合物是給受體材料間電荷轉移激發(fā)態(tài)發(fā)光，具有較小的單-三線態(tài)能級差，能實現(xiàn)三線態(tài)激子的上轉化，呈現(xiàn)出熱激活延遲熒光（TADF）特性。最近，團隊提出采用TADF界面激基復合物敏化磷光超薄層，構建單色及白光OLEDs，利用TADF激基復合物到磷光超薄層的多通道能量傳遞，實現(xiàn)超簡單、高效率單色及白光OLEDs的開發(fā)。如制備的藍、綠、黃、紅及白光OLEDs的最大EQE分別達到30.21%、22.76%、24.50%、20.90%及23.88%（Chem. Eng. J. 2023, 461,141921），如圖5所示。

圖5：TADF界面激基復合物敏化磷光超薄層單色及白光OLEDs的工作機制和相關性能指標。

為了促進OLEDs的產(chǎn)業(yè)化轉化，研究團隊在大尺寸OLEDs輔助電極的設計、大尺寸單色及白光OLEDs的制作、OLEDs封裝及壽命分析等方面也做了大量探索性工作，積累了豐富的經(jīng)驗，取得了較好的研究成果。圖6為課題組制備的大尺寸（20 mm × 20 mm）白光OLEDs器件照片，初步證明了研究成果在商業(yè)化推廣方面的可行性及潛在應用前景。

圖6：團隊研發(fā)的大尺寸（20 mm ×20 mm）白光OLEDs照亮彩色糖果的實物照片

展望

為了促進白光OLEDs技術從實驗室向商業(yè)化大規(guī)模轉化，通過更簡單的制備工藝，實現(xiàn)更高綜合性能、更穩(wěn)定光譜、更長操作壽命的白光OLEDs是關鍵。仍需科研人員開發(fā)更高效、穩(wěn)定的發(fā)光材料，同時不斷揭示器件的物理機制，設計新穎器件結構，構建器件結構與器件性能的內(nèi)在關系，促進白光OLEDs技術的不斷成熟。（來源：中科院長春光機所Light學術出版中心旗下學術傳播與服務平臺——中國光學）

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