近年來，随着技術的發展和成熟，OLED（有機電緻發光，Organic Light-Emitting Diode）器件在智能手機、電視螢幕等消費電子産品、照明等領域得到廣泛應用，并逐漸取代了傳統的液晶顯示技術。
如果想開發面向未來超高清顯示标準的 OLED 商用器件，就需要發光材料兼具高發光效率、高發光色純度，以及足夠的器件穩定性。而不可忽視的是，效率衰減問題一直以來制約着 OLED 的商業化程序。
基于此，蘇州大學與日本九州大學團隊合作，從材料的角度對 OLED 進行優化、設計和研發。
具體來說，他們基于有機硼氮多重共振骨架結構，創新性地提出一種新的分子設計政策：引入雙羰基雜化硼氮多重共振骨架（hybridization of organoboron–nitrogen and carbonyl，h-BNCO）。
研究人員通過結合理論模拟和實驗，證明了雙羰基的引入可以使得硼氮骨架在保持原有特性的基礎上，進一步加強反向系間竄越速率。在該設計政策作用下，使 OLED 器件在發光色純度、器件效率、效率滾降方面實作了全面改善。
值得關注的是，基于這一新型發光材料構築的具有簡單主客體二進制發光層結構的 OLED 器件，在器件穩定性方面實作顯著的提升，這是此前從未實作過的。
據了解，目前該材料在器件效率、發光色純度以及穩定性三方面都比較接近商用化水準，并能實作比現有商用綠光顯示基色更純的綠色發光。
是以，這種 MR-TADF（多重共振熱激活延遲熒光材料，Multiple Resonace Thermally Activated Delayed Fluorescence）材料，有望作為目前超高清顯示綠色像素發光材料的商業化替代方案。
日前，相關論文以《基于有機硼氮羰基雜化發光材料的高效、窄譜帶和穩定的電緻發光》（Efficient, narrow-band, and stable electroluminescence from organoboron-nitrogen-carbonyl emitters）為題發表在 Nature Communications 上[1]。
蘇州大學博士後程迎春、九州大學助理教授湯洵為共同第一作者，蘇州大學張曉宏教授、陳先凱教授、王凱副教授和九州大學安達千波矢（Chihaya Adachi）教授擔任共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
該研究為課題組系列研究的延續，此前，研究人員制備超純綠色有機發光二極管，實作最大外量子效率 35.2%[2]。
而本次研究的方案是一個相對小衆的設計思路，此前領域對在這方面研究并不多。“我們從 2018 年左右就想探索羰基硼氮雜化的新材料體系，但之前在硼氮體系的基礎上引入羰基，在化學合成上存在比較大的挑戰。”王凱表示。
實際上，這種設計方案是在研究人員的不斷摸索中得到的。當時，這種材料的産率很低大概僅有 2% 左右，是以在提純方面面臨很大的難題。
圖丨王凱（來源：王凱）
經過大量實驗探索，研究人員成功合成并提純出 h-BNCO-1，其在光實體測試中也實作了 1.79×105s−1 的反向系間竄越速率，以及接近 100% 的熒光量子産率。
利用基于 h-BNCO-1 的二進制發光層 OLED 實作了超純發光效果，其中最大的外量子效率超過 40％，在 1000cd·m-2 時的衰減效率為 14％。
此外，在優化的二進制發光層 OLED 器件中，h-BNCO-1 還表現出良好的器件穩定性，在 1000cd·m-2 的初始亮度下，亮度衰減到初始亮度的 95％ 時的器件壽命達到約 137 小時。
圖丨基于 h-BNCO-1 二進制發光層的 OLED 器件綜合性能對比（來源：Nature Communications）
作為有機電子學的先驅之一，九州大學安達千波矢教授曾發明一種稱為熱激活延遲熒光的 OLED 技術。
王凱說道：“此前，安達千波矢教授認為羰基的穩定性可能會出現問題。有意思的是，在這次研究中，我們的材料經過成功驗證後，也改變了他對羰基結構穩定性的偏見。”
接下來，研究人員将聚焦解決進一步優化材料合成，以及提升産率的難題。“據我們預計，産率方面再提升 10 倍左右會是一個比較理想的結果；材料合成方面，則需要繼續探索氧化劑、溫度等各方面的最優反應條件。”王凱說。
圖丨雙電子激發的高精度理論計算（來源：Nature Communications）
據悉，目前該團隊已與相關公司展開産業化方面的合作，進行該技術的中試測試，以推動商業化落地程序。
回顧該研究的解決思路，該課題組循序漸進地解決了 OLED 的發展問題。以解決效率問題、色純度問題為基礎，然後增加它的反向系間竄越速率，進而解決在使用亮度下的效率滾降問題和器件穩定性問題。
王凱指出，電緻發光下一步是否能夠實作電泵浦的有機雷射器件，是有機光電領域重要的發展方向之一，也是現在整個領域“懸而未決”的問題。
據悉，在本次研究綠光方面設計思路基礎上，如何進一步實作藍光 OLED 器件穩定性的提升，是該課題組下一步将重點關注的主要研究方向。
參考資料：
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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