闫东航、朱峰等在晶态有机发光二极管研究中取得重要进展

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相比于非晶态有机半导体，晶态有机半导体具有高的载流子迁移率和良好的热稳定性，是构建先进有机固态发光器件的理想介质。自Martin Pope于1963年在有机单晶中观察到电致发光现象以来，基于晶态有机材料开发发光器件受到了发光、材料等领域的长期关注。然而，经过多年发展，这类概念器件中一直存在的高驱动电压、低发光亮度、低发光效率等问题没有得到有效解决，器件性能远远落后于已进入商用阶段的非晶态薄膜有机发光二极管(Amorphous OLED, A-OLED)。
        近期，中国科学院长春应用化学研究所闫东航研究员、朱峰研究员团队提出利用弱取向外延方法（Adv. Mater. 2007, 19, 2168）发展高性能晶态有机发光二极管 (Crystalline OLED, C-OLED)的路线。先后论证了C-OLED可以实现有效的绿光、蓝光发射 (J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 8879; Org. Electron., 2020, 84, 105806)，发展了宽禁带晶态主体材料、实现了C-OLED的掺杂工程 (J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 2236-2242)。于近日公布了一种新型的高性能蓝光发射C-OLED结构：在弱取向外延生长多晶有机薄膜制备C-OLED的基础上，实现了“热激子”荧光材料纳米聚集体的可控嵌入和敏化作用，利用有机异质结效应产生“限域空间电荷”大幅提高载流子注入和发光性能。该器件表现出强大的蓝光发射[CIE (0.15，0.17)]，低启亮电压 Von = 2.5V (@1cd/m2), 低驱动电压V1000 = 3.3V (@1000cd/m2), 低焦耳热能量损失比(7.8% @1000 cd/m2)，最大外量子效率和最大功率效率分别达到 9.14% 和 13.61 lm/W。         

图1. (a) “热激子”荧光纳米聚集体敏化的C-OLED器件结构；(b) C-OLED发光层纳米聚集体的原子力形貌图; (c) 器件的电流密度-电压-亮度曲线；(d) 器件的外量子效率-亮度曲线；（e）器件的电致发光光谱。

       该工作采用晶态主体材料与“热激子”材料、发光客体交替生长的方式，使"热激子”材料/发光客体形成的纳米尺度聚集体均匀地镶嵌在晶态主体中。有别于均匀掺杂的A-OLED工作原理，在此新型发光层结构中，晶态主体材料与“热激子”纳米聚集体之间存在着明显的有机异质结效应，晶态主体和纳米聚集体的能带发生弯曲并有效地增强了器件电导。电子从电子传输层无势垒地直接注入纳米聚集体中形成“限域空间电荷”；另一方面，空穴直接在高迁移率的晶态主体材料中传输，最终空穴和电子在纳米聚集体中相遇形成激子。
        在C-OLED中引入 “热激子”荧光材料纳米聚集体是提升器件发光效率的关键。“热激子”材料是马於光院士团队发展的新一代荧光发光材料，通过将高能量三线态激子转为单线态激子，可以实现理论上高达100%的激子利用率。在C-OLED中，“热激子”荧光材料纳米聚集体作为敏化剂，通过S1单线态能级将高能单线态、三线态激子传递给具有高荧光量子效率的荧光客体实现高效率发光。
        最终，C-OLED器件在低工作电压下即可实现高亮度蓝光发射，该特性超越了目前所有已公开报道的蓝光发射(CIEy ？ 0.2) A-OLED。该研究工作揭示了“有机晶态薄膜主体结合高激子利用率材料纳米结构”发展高性能C-OLED的可行性，为发展新一代OLED提供一种新的器件方案。     

图2. (a) 激子在聚集体中的形成过程；(b) “热激子”纳米聚集体敏化的C-OLED与A-OLEDs的亮度输出对比。

       研究成果以“High-Efficiency Blue-Emission Crystalline Organic Light-Emitting Diodes Sensitized by “Hot Exciton” Fluorescent Nanoaggregates”为题于2022年12月15日发表在《Science Advances》上（Sci. Adv. 2022, 8 (50), eadd1757; DOI: 10.1126/sciadv.add1757）。该工作由长春应化所闫东航研究员、朱峰研究员团队与华南理工大学马於光院士团队合作完成，长春应化所为第一单位和通讯单位。该研究工作得到了科技部重点研发计划、中国科学院和长春应化所的支持。
       文章来源：长春应化所
       闫东航，1963年生，博士，研究员，博士生导师。现为长春应用化学所先进有机光电材料与器件研究中心(RCAOE)主任，薄膜物理研究组组长。1985年毕业于吉林大学物理系，1988年获得长春应用化学所高分子物理与化学专业硕士学位，1995年获得德国Mainz大学物理化学专业博士学位，毕业后开始在长春应用化学所工作，1997年晋升为研究员。从1999年起任RCAOE主任。工作期间曾于1997年访问美国阿克隆(Akron)大学从事合作研究，2000年访问加拿大卡尔顿(Carleton)大学从事合作研究。目前，闫东航研究员还在吉林大学和中国科技大学做兼职教授。闫东航研究员一直从事有机/高分子光电功能材料与器件的基础研究和应用基础研究，运用高分子凝聚态结构研究的成果，发展有机/高分子光电功能材料与器件，在高迁移率有机半导体材料、高功能有机场效应晶体管器件和集成器件技术方面形成具有特色的系列成果。
        朱峰，2004年本科毕业于吉林大学，2009年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，之后在德国莱布尼茨固体材料研究所、荷兰埃因霍温理工大学从事博士后研究工作。2014年至2019年于德国开姆尼茨理工大学和莱布尼兹固体材料研究所任课题组长、学术带头人。2019年10月加入中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室，任研究员。2020年入选国家海外高层次人才引进计划青年项目。主要研究方向是有机晶态薄膜电子学、有机微纳电子器件。在有机电致发光器件、纳米尺寸分子二极管、微型有机场效应晶体管、微型超级电容器和微型机器人等研究方向取得了系列原创性研究成果。在Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊发表论文40多篇。