基本信息
- 项目名称：
- 一种高效电致磷光主体材料及其低电压驱动高效蓝光/白光有机发光二极管
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本工作提出了一种获得高效蓝光、白光磷光主体材料的有效策略——短轴修饰型分子结构。通过在生色团（二苯并呋喃）的对称短轴方向上引入膦氧（二苯基膦氧）基团获得一种结构简单的二苯并呋喃基高能隙蓝光/白光芳香膦氧主体材料，其有机电致磷光蓝光/白光发光二极管实现了目前文献报道最低的驱动电压和最稳定的发光效率。器件的整体性能已基本达到实用化要求，完全能够应用于便携式显示终端和照明设备。
- 详细介绍：
- 本作品提出了一种获得高效蓝光、白光磷光主体材料的有效策略，即在生色团的对称短轴方向上引入芳香膦氧（P=O）基团。根据此策略，在二苯并呋喃的4位取代二苯基膦氧基团合成了一种结构简单新颖的高能隙二苯并呋喃基主体材料（o-DBFPPO）。这种短轴取代的策略有效地抑制了P=O基团对生色团三线态能级的影响，使二苯并呋喃的高三线态能级得以保持，材料的三线态能级高达3.15 eV。同时，短轴方向的修饰更有利于P=O基团充分地发挥其极化作用，使整个材料的电子注入/传输能力得到更大的提高，从而降低器件的驱动电压。高的三线态能级和良好的载流子传输能力使o-DBFPPO更适合作为电致蓝光和白光器件的主体材料。其中，使用o-DBFPPO作为主体的蓝光器件获得了目前文献报道最低的驱动电压和最稳定的发光效率。亮度为100cd/m2时器件的驱动电压仅为3.1 V，亮度升至1000 cd/m2效率仅下降4%。o-DBFPPO作为主体的白光器件也获得了目前文献报道最低的驱动电压和最稳定的发光效率。亮度为1000 cd/m2的驱动电压仅4 V，而功率效率高达30 lm/W，效率衰减仅为4%，高亮度下发光效率非常稳定，是目前文献报道的综合性能最优异的单一主体白光器件之一，整体性能已基本达到实用化要求。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 如何设计综合性能优良的蓝光磷光器件,特别是蓝光磷光主体材料是电致磷光显示和照明器件真正走向应用的关键环节和瓶颈课题。三重态激发态能级和载流子注入/传输是电致磷光蓝光主体材料性能的两个决定因素，也是一对主要矛盾。膦氧基团能够打断共轭保持生色团较高的三线态能级，同时有效极化分子，提高电子注入能力。而对称短轴上的修饰可使膦氧更充分地发挥这两方面的优势。从而获得双极特性和高三重态激发态能级兼备的主体材料。
科学性、先进性及独特之处
- 提出了一种生色团对称短轴修饰策略，即在二苯并呋喃的对称短轴上引入二苯基膦氧基团，获得一种结构简单的二苯并呋喃基高能隙蓝光/白光芳香膦氧主体材料。这种独特的分子设计策略可有效地抑制P=O基团对生色团三线态能级的影响，保持分子高三线态能级。且更有利于其充分地发挥极化作用，使整个材料的电子注入/传输能力得到更大的提高。使用该主体材料制备的蓝光/白光器件都实现了目前已报道最低的驱动电压和最稳定的发光效率。
应用价值和现实意义
- 本工作提供了一种获得高能隙高效主体分子的有效策略，揭示了对称短轴修饰的优点，为人们今后开展相关领域的研究提供了有价值的理论参考和实验支持。以本工作材料制备的器件获得了目前已报道最低的驱动电压和最稳定的发光效率（以锂电池（4.5V左右）驱动即可获得荧光灯管10倍的亮度），整体性能已基本达到实用化水平，完全能够胜任便携式显示终端和照明设备，对实现可商业化的低压高效电致蓝光/白光器件具有非常重要的意义。
学术论文摘要
- 获得高三重态激发态能级和良好载流子传输性能兼备的主体材料是提高电致磷光蓝光器件性能的关键途径之一。本文通过一种二苯并呋喃基主体材料（o-DBFPPO）证明了一种获得高效蓝光、白光磷光主体材料的有效策略——短轴修饰策略，即在生色团的对称短轴方向上引入芳香膦氧基团。这种策略有效地抑制了P=O基团对生色团三线态能级的影响，使二苯并呋喃的高三线态能级得以保持，材料的三线态能级高达3.15 eV。同时，短轴方向的修饰更有利于P=O基团充分地发挥其极化作用，使整个材料的载流子注入/传输能力得到更大的提高且趋于平衡，从而降低器件的驱动电压。使用o-DBFPPO作为主体的蓝光器件获得了目前文献报道最低的驱动电压和最稳定的发光效率。亮度为100cd/m2时器件的驱动电压仅为3.1 V，亮度升至1000 cd/m2效率仅下降4%。o-DBFPPO作为主体的白光器件也获得了极低的驱动电压和非常稳定的发光效率。亮度为1000 cd/m2的驱动电压仅4 V，而功率效率高达30 lm/W，效率衰减仅为4%，高亮度下发光效率非常稳定，是目前文献报道的综合性能最优异的单一主体白光器件之一。
获奖情况
- John Wiley出版社出版 1. A Single Phosphine Oxide Host for High-Efficiency White Organic Light-Emitting Diodes with Extremely Low Operating Voltages and Reduced Efficiency Roll-Off， 2011年1月25日，被《Advanced Materials》杂志接收发表，SCI收录，影响因子8.38； 2. Towards Highly Efficient Blue-Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes with Low Operating Voltage and Excellent Efficiency Stability ，2010年6月13日，被《Chemistry-A European Journal》杂志接收发表，SCI收录，影响因子5.38。
鉴定结果
- 本工作的设计思想新颖，工作细致，结论明确可信。特别是提出了一种独特的分子设计策略，并通过优异器件性能加以证明。不仅获得了国际领先水平的器件性能，而且为高能隙高效主体材料的设计提供了重要的理论指引。
参考文献
- 1) P. A. Vecchi, A. B. Padmaperuma, H. Qiao, L. S. Sapochak, P. E. Burrows, Org. Lett. 2006, 8, 4211-4214. 2) F.-M. Hsu, C.-H. Chien, P. -I. Shih, C. -F. Shu, Chem. Mater. 2009, 21, 1017-1022. 3) J. Lee, J. –I. Lee, J. Y. Lee, H. Y. Chu, Org. Electron. 2009, 10, 1529-1533. 4）S. Reineke, F. Lindner, G. Schwartz, N. Seidler, K. Walzer, B. Lüssem, K. Leo, Nature, 2009, 459, 234-238. 5）G. Schwartz, M. Pfeiffer, S. Reineke, K. Walzer, K. Leo, Adv. Mater. 2007, 19, 3672-3676. 6) H. Wu, G. Zhou, J. Zou, C.-L. Ho, W.-Y. Wong, W. Yang, J. Peng, Y. Cao, Adv. Mater. 2009, 21, 4181-4184. 7) K. S. Yook, S. O. Jeon, J. Y. Lee, Thin Solid Films 2010, 518, 5827-5831.
同类课题研究水平概述
- 高能隙主体材料的研究主要集中于咔唑衍生物、硅烷/甲烷衍生物和芳香膦氧化合物三类材料。咔唑本身较低的三线态能级（3.0 eV）极大地限制了多功能化修饰和复杂分子结构设计。因此，纯粹的咔唑类蓝光主体材料在性能上已很难再有大的突破。硅烷/甲烷类衍生物通过饱和键打断共轭使分子获得了较高的三线态能级。但是，用以打断的Si、C原子不具备好的电活性，导致材料的载流子注入/传输性能降低，器件的启亮电压都偏高（5 V左右）。而芳香膦氧化合物有效地解决了高能隙和双极特性难兼并的难题。P=O基团不仅能够打断共轭，而且能够起到增强电子注入/传输能力的作用，与空穴传输基团相配合就能够实现良好的双极载流子注入/传输。目前，国际上已有美国太平洋西北国家实验室的Linda S. Sapochak和Paul E. Burrows，台湾国立交通大学的Ching-Fong Shu和韩国檀国大学的Jun Yeob Lee等多个课题组在此方向上开展工作。Sapochak课题组通过二苯基氧膦基团对位修饰二苯并呋喃等制备了一系列芳香膦氧主体材料。材料的三线态能级在2.7-3.0 eV之间。制备的器件均获得了10-12%的外量子效率。Lee等在Adv. Mater.等杂志也上报道了一些具有约3.0 eV三线态能级的膦氧主体材料。其中SPPO1为主体材料制备的器件获得了高达的19.2%的外量子效率，但其效率的稳定性较差，亮度升至1000 cd/m2效率已经下降了40%。mCPPO1为主体材料制备的器件获得了迄今为止有机电致深蓝光器件最高的22.3%的外量子效率。这些工作都充分展现了芳香膦氧化合物作为主体材料用于蓝光磷光乃至白光磷光器件的巨大潜力。然而，也突显出了膦氧类主体材料效率衰减快等缺点，迫切需要研究开发新型的材料结构和有效的修饰方法。近期，我们课题组报道了一系列对称短轴修饰的膦氧主体材料，由于短轴方向的修饰，材料都获得了高于3.0eV的三线态能隙。制得的器件实现了极低的驱动电压和非常稳定的高效发光。充分展示了对称短轴修饰的优点。现阶段，芳香膦氧主体材料的研究尚处于起步阶段，材料结构也仅限于简单的芴、咔唑等。并且膦氧基团的修饰位置都集中在分子的长轴方向上，其打断共轭效应和极化分子作用都没有得到充分发挥，芳香膦氧化合物在复杂功能化修饰等方面的优势也没有得到充分地展示，材料的双极载流子传输等性能有待进一步提高。
