Dybblå organiske lysemitterende dioder baseret på et dublet-emission cerium(III) kompleks

I dette arbejde, forfatterne har demonstreret en høj ekstern kvanteeffektivitet (EQE) i dybblå organiske lysemitterende dioder (OLED'er) baseret på et nyt cerium(III)kompleks Ce-1 som emitter, som kan opnå 100 % excitonudnyttelseseffektivitet (EUE). Sammen med dens korte levetid i ophidset tilstand, justerbart emissionsspektrum, og lave omkostninger, cerium(III)-kompleks har potentialet til at udvikle dybblå OLED'er med høj effektivitet og langsigtet stabilitet, og også for at udvide til området for fuldfarve-OLED'er.

Sammenlignet med traditionelle skærmteknologier, organiske lysemitterende dioder (OLED'er) har mange fordele, såsom høj kontrast, farverig, stor betragtningsvinkel, let vægt, fleksibilitet, og så videre. Indtil nu, OLED'er er med succes blevet kommercialiseret på nichedisplaymarkedet og er nu under intens forskning til andre applikationer, såsom solid-state belysning.

I løbet af de sidste tre årtier, fluorescens, fosforescens, termisk aktiveret forsinket fluorescens (TADF), og organiske radikale materialer er efterfølgende blevet anvendt som emittere på grund af stræben efter høj effektivitet, langsigtet stabilitet, og billige OLED'er. Som en ny type emitter i OLED'er, cerium(III)-komplekser har mange potentielle fordele. Først, forfatterne foreslår, at den teoretiske excitonudnyttelseseffektivitet (EUE) kan være så høj som 100 %, da cerium(III)-komplekset viser en dublet 5d-4f-overgang fra den enkelte elektron i centrum af cerium(III) (4f1-konfiguration) ioner snarere end en singlet og/eller triplet overgang, som ikke vil være begrænset af spin-statistik.

Sekund, cerium(III)-komplekser forventes at være mere stabile i OLED'er, da deres levetid i exciterede tilstande generelt er titusinder af nanosekunder. Tredje, cerium(III)-komplekser er iboende blå eller ultraviolette emittere, som vist i litteraturen, selvom deres emissionsfarver teoretisk kunne påvirkes af ligandfeltet. I øvrigt, cerium(III)-komplekser er billige, fordi forekomsten af ​​cerium i jordskorpen er 0,006 vægt%, hvilket er fire størrelsesordener højere end for iridium (0,0000001 vægt%) og endda lidt højere end kobber (0,005 vægt%). Derfor, cerium(III)-komplekset har potentialet til at udvikle dybblå OLED'er med høj effektivitet, langsigtet stabilitet, og lave omkostninger.

Imidlertid, de fleste rapporterede cerium(III)-komplekser er ikke-emissive, fordi klassiske ligander og opløsningsmiddelmolekyler viser sig at standse cerium(III)-ionluminescens ved koordinering. Derfor, elektroluminescensundersøgelser af cerium(III)-komplekser er meget sjældne, og deres fordele er ikke blevet påvist. Til dato, der er kun tre eksempler på elektroluminescensundersøgelse af cerium(III)-komplekser i litteraturen. Blandt disse eksempler, den maksimale eksterne kvanteeffektivitet (EQE) for det bedste resultat er under 1 %. Som et gennembrud, forfatterne rapporterer om et nyt og neutralt cerium(III) kompleks Ce-1 med stive scorpionate ligander, der viser et højt fotoluminescens kvanteudbytte (PLQY) op til 93% i dopet film og følgelig en høj gennemsnitlig EQE på 12,4% i prototype OLED'er.

Komplekset Ce-1 blev syntetiseret ved omrøring af kaliumhydrotris(3, 5-dimethylpyrazolyl)borat (KTpMe ₂ ) med Ce(CF ₃ SÅ ₃ ) ₃ i tetrahydrofuran (THF), ledsaget af hydrolyse på grund af en spormængde af vand i opløsningsmidlet. Gennem den chelaterende koordinering af de to multidentate stive ligander, den centrale cerium(III)-ion er effektivt beskyttet mod påvirkning fra miljøslukning. Ce-1 pulver udsender dybblåt lys, og spektret viser den typiske dobbelt-peak-emission af cerium(III)-ioner med en levetid i exciteret tilstand på 42 nanosekunder. PLQY af dets pulver er så højt som 82%.

Hvad angår elektroluminescensegenskaben af ​​Ce-1, denne artikel bruger først den bipolære BCPO som værtsmateriale. Gennem test af PLQY og orienteringsforholdet for det emitterende lag (BCPO:Ce-1), og enhedens EQE, EUE for Ce-1 i enheden udledes til at være så høj som 100 %. Efterfølgende denne artikel anvender TSPO1:CzSi som værtsmateriale for i høj grad at øge PLQY af den dopede film til 93%, og endelig når den maksimale EQE for den optimerede enhed 14 % med den maksimale lysstyrke på 1008 cd m ^-2 . Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) koordinater for denne enhed er (0,146, 0,078).

I denne avis, mekanismerne for fotoluminescens og elektroluminescens studeres også. Først, elektron paramagnetisk resonans (EPR) spektroskopi af Ce-1 pulver bekræftede, at Ce-1 er paramagnetisk. Density functional theory (DFT) beregninger viser også, at donor og acceptor for den første symmetri tilladte overgang blev genkendt som 4f og 5d ​​orbitaler af den centrale cerium(III)-ion. Levetiden i ophidset tilstand på snesevis af nanosekunder og den dobbelte emissionstop med en energiforskel på ~2000 cm ^-1 indikerer også, at det dybblå lys kommer fra dublet 5d-4f-overgangen af ​​cerium(III)-ionen. Ved at sammenligne enhedens elektroluminescensspektrum med fotoluminescensspektret for den tilsvarende doterede film, og det transiente elektroluminescensspektrum, det udledes, at rekombinationen af ​​bærere sker på Ce-1-komplekset i stedet for værtsmaterialet. På grundlag af yderligere analyse af enhedens tændspænding og båndgabet mellem liganden og den centrale ion, dette papir konkluderer, at cerium(III)-ionerne direkte kan fange elektroner/huller for at danne dublet-excitoner og udsende dybblåt lys.