OLEDs熱激活化延遲螢光材料之元件應用

刊登日期:2017/5/5
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有機發光材料發展歷史
近年來為了提升OLEDs的元件效率與避免使用過渡金屬,例如:鉑(Pt)、銥(Ir),於是日本九州大學Adachi教授提出了熱激活化延遲螢光的概念,其原理是縮小分子的單重態-三重態能隙(ΔEST),使得三重態激子藉由環境熱能進行逆向系統間跨越(Reverse Intersystem Crossing; RISC),將75%三重態激子成功轉化為單重態激子,進而提升螢光放光效率。圖一顯示了單重態最低能階、三重態最低能階、基態能階的簡易相對能階。由於單重態最低能階跟三重態最低能階之間的能隙(ΔEST)跟最高佔有軌域(HOMO)、最低未佔有軌域(LUMO)的電子交換能(J)成正比,而電子交換能又跟最高佔有軌域、最低未佔有軌域的重疊積分平方成正比,因此,一般有機分子π-π*躍遷的單重態最低能階大概會比三重態最低能階高出0.5~1.0 eV。

TADF材料的發展
2014年,對於TADF-OLEDs在高電流環境下效率飛快下降這個問題有了突破性的發現,藉由理論計算技術TDDFTB3LYP,設計出①三個單重態最低能階是電荷轉移能階,三重態最低能階是區域性激發態;②三個單重態最低能階是電荷轉移能階,三重態最低能階也是電荷轉移能階的兩種TADF分子,從暫態光譜(Transient Spectrum)得知,三重態最低能階是電荷轉移能階的分子,比起三重態最低能階是區域性激發態的分子,其螢光放光的生命期小了很多(大約1 μs),降低了分子放光在高驅動電流下飽和的機率,這樣的優點使得這一系列分子做成元件後都有比較優秀的表現,更大幅改善了效率下降的現象。其綠光與藍光元件都有不俗的表現,最大外部量子效率分別達到17.5%、19.5%,在照度強度1,000 cd/m2時,外部量子效率仍有15.5%以及16.0%(圖四)。

圖四、DMOC-DPS分子結構與元件表現
圖四、DMOC-DPS分子結構與元件表現

TADF材料其他運用
TADF材料除了當作發光層客體材料之外,目前也有一些文獻指出當作主體材料也是很好的選擇,例如韓國Jun-Yeob Lee教授利用CzAcSF當作主體材料,摻雜螢光客體材料TBPe(圖六),藍光與白光元件的外部量子效率可達到15.4%和14%,此舉是利用電子/電洞在發光層複合時,主體材料的三重態最低能階可回流到單重態最低能階,然後將100%能量傳遞給客體材料的單重態最低能階,這顯示出TADF材料未來具有潛力發展出高效率的主體材料。

另外TADF-OLEDs在元件壽命上,目前的表現還不如市場預期,為了提高元件的壽命,Adachi教授提出了將傳統螢光元件的發光層之間摻入TADF Assistant Dopants(ACRSA、ACRXTN、PXZ-TRZ、tri-PXZ-TRZ)(圖七),所得到的藍、綠、黃、紅光元件外部量子效率分別為13.4%、15.8%、18%、17.5%。元件壽命方面,比起純螢光與純TADF-OLEDs的元件壽命有明顯的提升。

圖七、Assistant Dopants放光機制
圖七、Assistant Dopants放光機制

Exciplex OLEDs(類TADF-OLEDs)
其實具有TADF特性的OLEDs並非一定要開發特定材料才能實現,部分研究團隊利用三重態最低能階相近的兩種材料(一個利於電洞傳輸,另一個利於電子傳輸)混合成發光層,當OLEDs操作時會產生具有…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:蔡維隆 / 工研院顯示中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」365期,更多資料請見下方附檔。


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