科学家开发新型有机发光材料，有望成为高清显示绿色像素替代方案

近年来，随着技术的发展和成熟，OLED（有机电致发光，Organic Light-Emitting Diode）器件在智能手机、电视屏幕等消费电子产品、照明等领域得到广泛应用，并逐渐取代了传统的液晶显示技术。

如果想开发面向未来超高清显示标准的 OLED 商用器件，就需要发光材料兼具高发光效率、高发光色纯度，以及足够的器件稳定性。而不可忽视的是，效率衰减问题一直以来制约着 OLED 的商业化进程。

基于此，苏州大学与日本九州大学团队合作，从材料的角度对 OLED 进行优化、设计和研发。

具体来说，他们基于有机硼氮多重共振骨架结构，创新性地提出一种新的分子设计策略：引入双羰基杂化硼氮多重共振骨架（hybridization of organoboron–nitrogen and carbonyl，h-BNCO）。

研究人员通过结合理论模拟和实验，证实了双羰基的引入可以使得硼氮骨架在保持原有特性的基础上，进一步加强反向系间窜越速率。在该设计策略作用下，使 OLED 器件在发光色纯度、器件效率、效率滚降方面实现了全面改善。

值得关注的是，基于这一新型发光材料构筑的具有简单主客体二元发光层结构的 OLED 器件，在器件稳定性方面实现显著的提升，这是此前从未实现过的。

据了解，目前该材料在器件效率、发光色纯度以及稳定性三方面都比较接近商用化水平，并能实现比现有商用绿光显示基色更纯的绿色发光。

因此，这种 MR-TADF（多重共振热激活延迟荧光材料，Multiple Resonace Thermally Activated Delayed Fluorescence）材料，有望作为目前超高清显示绿色像素发光材料的商业化替代方案。

日前，相关论文以《基于有机硼氮羰基杂化发光材料的高效、窄谱带和稳定的电致发光》（Efficient, narrow-band, and stable electroluminescence from organoboron-nitrogen-carbonyl emitters）为题发表在 Nature Communications 上[1]。

苏州大学博士后程迎春、九州大学助理教授汤洵为共同第一作者，苏州大学张晓宏教授、陈先凯教授、王凯副教授和九州大学安达千波矢（Chihaya Adachi）教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Communications）

该研究为课题组系列研究的延续，此前，研究人员制备超纯绿色有机发光二极管，实现最大外量子效率 35.2%[2]。

而本次研究的方案是一个相对小众的设计思路，此前领域对在这方面研究并不多。“我们从 2018 年左右就想探索羰基硼氮杂化的新材料体系，但之前在硼氮体系的基础上引入羰基，在化学合成上存在比较大的挑战。”王凯表示。

实际上，这种设计方案是在研究人员的不断摸索中得到的。当时，这种材料的产率很低大概仅有 2% 左右，因此在提纯方面面临很大的难题。

图丨王凯（来源：王凯）

经过大量实验探索，研究人员成功合成并提纯出 h-BNCO-1，其在光物理测试中也实现了 1.79×105s−1 的反向系间窜越速率，以及接近 100% 的荧光量子产率。

利用基于 h-BNCO-1 的二元发光层 OLED 实现了超纯发光效果，其中最大的外量子效率超过 40％，在 1000cd·m-2 时的衰减效率为 14％。

此外，在优化的二元发光层 OLED 器件中，h-BNCO-1 还表现出良好的器件稳定性，在 1000cd·m-2 的初始亮度下，亮度衰减到初始亮度的 95％ 时的器件寿命达到约 137 小时。

（来源：Nature Communications）

作为有机电子学的先驱之一，九州大学安达千波矢教授曾发明一种称为热激活延迟荧光的 OLED 技术。

王凯说道：“此前，安达千波矢教授认为羰基的稳定性可能会出现问题。有意思的是，在这次研究中，我们的材料经过成功验证后，也改变了他对羰基结构稳定性的偏见。”

接下来，研究人员将聚焦解决进一步优化材料合成，以及提升产率的难题。“据我们预计，产率方面再提升 10 倍左右会是一个比较理想的结果；材料合成方面，则需要继续探索氧化剂、温度等各方面的最优反应条件。”王凯说。

图丨双电子激发的高精度理论计算（来源：Nature Communications）

据悉，目前该团队已与相关公司展开产业化方面的合作，进行该技术的中试测试，以推动商业化落地进程。

回顾该研究的解决思路，该课题组循序渐进地解决了 OLED 的发展问题。以解决效率问题、色纯度问题为基础，然后增加它的反向系间窜越速率，进而解决在使用亮度下的效率滚降问题和器件稳定性问题。

王凯指出，电致发光下一步是否能够实现电泵浦的有机激光器件，是有机光电领域重要的发展方向之一，也是现在整个领域“悬而未决”的问题。

据悉，在本次研究绿光方面设计思路基础上，如何进一步实现蓝光 OLED 器件稳定性的提升，是该课题组下一步将重点关注的主要研究方向。

参考资料：

1.Ying-Chun Cheng, Xun Tang, Kai Wang, Xin Xiong, Xiao-Chun Fan, Shulin Luo, Rajat Walia, Yue Xie, Tao Zhang, Dandan Zhang, Jia Yu, Xian-Kai Chen, Chihaya Adachi, Xiao-Hong Zhang. Efficient, narrow-band, and stable electroluminescence from organoboron-nitrogen-carbonyl emitters. Nature Communications 2024, 15, 731. https://doi.org/10.1038/s41467-024-44981-1

2.Fan, XC., Wang, K., Shi, YZ.et al. Ultrapure green organic light-emitting diodes based on highly distorted fused π-conjugated molecular design. Nature Photonics (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01106-8

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