韓國研究人員開發(fā)新的無重金屬有機發(fā)光材料結(jié)構(gòu)，將磷光OLED發(fā)光速度提高1000倍

來源：密歇根大學(xué)

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，得益于超薄柔性潛力、超大視角、超高對比度和超低響應(yīng)時間等優(yōu)異的性能優(yōu)勢，OLED顯示器已經(jīng)在很多領(lǐng)域慢慢取代傳統(tǒng)LCD顯示器。不過，目前的OLED顯示器因為發(fā)光材料的特性也還存在諸如發(fā)光效率、壽命和燒屏等問題，從第一代的熒光有機發(fā)光材料、第二代的磷光有機發(fā)光材料到最新的TADF和Hyper-Fluorescent等材料，為了更好的完善OLED顯示器，學(xué)界和業(yè)界都展開了廣泛的攻關(guān)研究。

最近，一個由密歇根大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團隊開發(fā)出了一種新型OLED發(fā)光材料。該材料使用新的混合材料，取代了現(xiàn)有基于重金屬的有機發(fā)光材料，測試結(jié)果顯示，新方案能夠保持原有方案的顏色表現(xiàn)力和超高的對比度，可以作為新的升級方案用于當(dāng)前電視、智能手機或其他顯示器的OLED顯示屏。

除此以外，還有一點讓研究人員感到奇怪，那就是這種新開發(fā)的材料似乎也同時打破了現(xiàn)有的量子規(guī)則。如前述，目前市場上的OLED顯示屏所使用的第二代磷光有機發(fā)光材料，通常包含銥和鉑等重金屬元素和成分，這些可以提高OLED屏幕的發(fā)光效率、亮度和色域大小。不過，它們也有一些明顯的缺點，比如使用這些材料的OLED顯示器成本明顯更高，設(shè)備的壽命更短，其源自重金屬使用造成的健康和環(huán)境危害增加。

實際上，在OLED顯示器中，第二代磷光有機發(fā)光材料之所以被提出，且已經(jīng)在紅色和綠色發(fā)光材料領(lǐng)域取代第一代熒光發(fā)光材料，其主要原因是磷光發(fā)光材料的發(fā)光效率更高，相應(yīng)的OLED顯示器更加節(jié)能。但另一方面，磷光發(fā)光從機制上看其發(fā)光速度比熒光更慢，在沒有重金屬元素成分的情況下需要幾毫秒甚至更長時間。從實際應(yīng)用情況來看，提高磷光發(fā)光速度到微秒量級甚至超過該量級一直都是現(xiàn)代顯示器設(shè)計所希望看到的，畢竟目前很多顯示器都需要以每秒120幀的速度運行，更快得發(fā)光速度可以避免OLED顯示時產(chǎn)生揮之不去的“重影”圖像，這也是第二代磷光發(fā)光材料中加入重金屬元素的關(guān)鍵作用之一。

增加重金屬元素可以提高磷光有機發(fā)光材料的發(fā)光速度，但是卻因為重金屬元素的存在引入了其他一些問題，比如環(huán)境危害等。

“我們找到了一種新的制造磷光有機發(fā)光材料分子的方法，這種發(fā)光材料分子可以在微秒量級的時間內(nèi)發(fā)光，更重要的是這種新的磷光發(fā)光分子種不含有重金屬元素，”密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Jinsang Kim道說，他是這一成果發(fā)表在《自然通訊》期刊上的作者之一。

除了Jinsang Kim教授以外，韓國仁和大學(xué)化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程教授Dong-Hyuk Park和成均館大學(xué)先進材料科學(xué)與工程系教授Sunkook Kim也都是合作者。

據(jù)介紹，熒光和磷光發(fā)光機制之間的速度差，主要和流經(jīng)OLED材料電流中的電子滑入分子可用電子軌道內(nèi)的高能級（也被稱為激發(fā)態(tài)）后所發(fā)生的事情有關(guān)。在熒光發(fā)光機制中，這些處于激發(fā)態(tài)的激子會立即以光的形式釋放能量，返回基態(tài)。但在磷光發(fā)光機制中，這些激子則必須先進行轉(zhuǎn)換，然后才能以光的形式釋放能量，然后返回基態(tài)。

這種轉(zhuǎn)換與電子的自旋有關(guān)。每個電子在基態(tài)都有一個耦合對象，量子力學(xué)規(guī)則——泡利不相容原理——要求這兩個電子以相反的方向自旋。不過，當(dāng)其中一個電子激發(fā)到更高能級的軌道上時，該電子的自旋方向最終可能會發(fā)生變化，因為這兩個電子現(xiàn)在都處于單獨在軌道上。此時，高能級的電子只有四分之一的幾率和原來的耦合電子的自旋方向相反，也就是說只有這四分之一的幾率發(fā)出熒光。

對比來看，磷光的發(fā)光效率提高了三倍，因為它能夠利用其他四分之三的激發(fā)電子，不過它要求電子在返回之前翻轉(zhuǎn)其自旋狀態(tài)。在傳統(tǒng)的磷光發(fā)光材料中，其所使用重金屬的大原子核會產(chǎn)生一個磁場，該磁場能夠迫使相同自旋方向的激發(fā)電子快速轉(zhuǎn)動，從而在返回基態(tài)時更快地發(fā)光。

為了在維持發(fā)光速度的同時，取消重金屬元素的使用，研究人員提出了一種新的材料結(jié)構(gòu)，它將二維的鉬和硫沉積在類似的有機發(fā)光材料層附近，通過物理接近而無需任何化學(xué)鍵合的方式來實現(xiàn)相同的效果。最終，經(jīng)過樣品制作和測試，這種混合結(jié)構(gòu)將發(fā)光速度提高了1000倍，達到了目前顯示器所需要的微米量級發(fā)光速度。

據(jù)介紹，該發(fā)光過程完全發(fā)生在有機材料內(nèi)，沒有弱的金屬-有機配體鍵合，所以它還有助于延長材料壽命。實際上，傳統(tǒng)依賴重金屬的磷光OLED需要使用重金屬元素來幫助產(chǎn)生顏色，當(dāng)兩個激發(fā)的電子接觸時，金屬和有機材料之間較弱的化學(xué)鍵會斷裂，進而使發(fā)光像素變暗。

像素?zé)潦歉吣芩{光發(fā)光像素開發(fā)和制造的一個特殊問題，截止目前也沒有得到很好地解決，不過現(xiàn)在這些研究人員希望他們的新設(shè)計方法可以幫助實現(xiàn)穩(wěn)定的藍色磷光像素制造。一個顯示情況是，目前商業(yè)化的OLED通常使用磷光發(fā)光形式的紅色和綠色像素搭配第一代熒光發(fā)光形式的藍色像素，這也是設(shè)計人員以較低的能源效率為代價避免藍色像素?zé)龎牡牟坏靡训姆桨浮?/p>

除了潛在的應(yīng)用之外，研究人員對這種分子混合系統(tǒng)的分析還測量到了一些曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能的事情——共享軌道的成對電子在黑暗條件下似乎具有組合自旋，這意味著它們處于一種本該被禁止的“三重態(tài)”。

“我們還沒有完全理解是什么導(dǎo)致了基態(tài)中的三重態(tài)，因為這違反了泡利不相容原理。這是非常不可能的，但從測量數(shù)據(jù)來看，情況似乎確實如此，”Kim說：“這讓我們對真正讓這種情況發(fā)生的原因有了更多的疑問?！?/p>

未來，該研究小組將繼續(xù)探索該材料是如何實現(xiàn)三重態(tài)特征的基態(tài)的，同時除了OLED顯示以外，還會探索潛在的自旋電子學(xué)器件應(yīng)用。目前，該研究團隊在密歇根大學(xué)創(chuàng)新伙伴關(guān)系的協(xié)助下申請了專利保護，并正在尋找合作伙伴來使用這種新型材料制造OLED等設(shè)備。

這項研究工作得到了韓國政府支持的韓國國家研究基金會資助，和密歇根大學(xué)工程學(xué)院的START項目的支持。另外，來自加州大學(xué)伯克利分校和東國大學(xué)的合作者為這項研究做出了貢獻。