武汉大学龚少龙团队: 实现金属配合物发光高分子迄今最高器件效率

文摘   2024-09-18 12:03   英国  

研究背景

面向有机发光二极管 (OLED) 大面积、低成本制备的发展需求,溶液加工的制备工艺一直是 OLED 学术界和产业界的研究热点之一。自 2003 年首例铱 (III) 配合物发光高分子被报道以来,由于其同时具备磷光特性和优良的溶液加工性,基于贵金属配合物的发光高分子被广泛地应用于溶液加工型 OLED 中。当前,这类贵金属发光高分子已经能够覆盖从深蓝光到红光的全光谱发射;并且,其电致发光器件的最大外量子效率也能达到 13.3% 。尽管如此,贵金属的引入不可避免地带来了资源匮乏和环境污染等问题,阻碍了过渡金属配合物发光高分子的潜在商业化应用。
基于一些廉价且地球丰度高的过渡金属,如 Cu 、 Zn 等,来构建过渡金属配合物发光高分子通常是一种更优的选择。然而,基于这类廉价过渡金属的发光高分子很少被报道,且通常表现出较差的器件性能。因此,如何创制高性能的廉价过渡金属配合物发光高分子是溶液加工型 OLED 领域的研究难题之一。近年来,基于“卡宾-币金属 (I) -芳胺”  (CMA) 构型的二配位铜 (I) 配合物因具有较高的发光量子产率和较短的激子寿命,被认为是新一代理想的廉价金属发光配合物。目前, CMA 铜 (I) 配合物已经实现了多色且高效的 OLED ,但其研究均集中于小分子体系的探索,基于 CMA 铜 (I) 配合物来构建的发光高分子还尚未报道。

研究内容

近日,武汉大学龚少龙教授带领研究团队在聚苯乙烯主链上使用侧链工程策略,分别悬挂两种 CMA 铜 (I) 配合物和苯基咔唑基团作为客体和主体单元,构建了两类非共轭的铜 (I) 配合物高分子, PMAC-x 和 PCAAC-x (x = 1-3) (Fig. 1) ,探究了其发光机制,并构筑了相应的非掺杂溶液加工型 OLED 。
  • Fig. 1. Two series of Cu(I) polymers in this work.

作者研究发现,由于不同的 CMA 铜 (I) 客体单元, PMAC-x 表现出具有 TADF 特性的黄光发射;而 PCAAC-x 则呈现出磷光特性主导的天蓝光发射(Fig. 2)。其中, PMAC-x 在纯膜下呈现出高达 78% 的发光量子产率和 106 s–1 的辐射跃迁速率常数。有趣的是,这类铜 (I) 配合物高分子由于非共轭高分子链的封装和包裹的作用呈现出优异的水稳定性,显著优于 CMA 铜 (I) 配合物单体的水稳定性。同时,这些铜 (I) 配合物发光高分子材料具有明显的聚集诱导发光的特性 (Fig. 2) ,有望作为非掺杂发光层应用于 OLED 中。

  • Fig. 2. Schematic energy diagrams of the relevant states for (A) PMAC-3 and (C) PCAAC-3. Emission intensity vs. fw of (B) PMAC-3 and (D) PCAAC-3. Inset: photos in THF/water mixtures (fw = 0 and 90%) under 365 nm excitation.

将这两类铜 (I) 配合物发光高分子分别作为发光层,构筑了相应的非掺杂溶液加工型器件。随着 CMA 铜 (I) 配合物单体溶度的增大,其高分子的器件效率逐渐提升。其中,以 PMAC-3 作为发光层的黄光器件实现了 13.8% 的最大外量子效率,是目前报道的金属配合物发光高分子材料的最高器件效率。
  • Fig. 3. (A) Device structure and energy level diagram of devices A1–A3. EQE–current density curves for devices (B) A1–A3 and (E) B1–B3. Inset: EL spectra of the corresponding devices. Luminance–voltage (left) and current density–voltage (right) curves of devices (C) A1–A3 and (F) B1–B3. (D) Summary of efficient Ir(iii) polymers previously reported in the literature.
这项工作不仅提出了创制高性能的廉价金属配合物发光高分子的新途径,同时揭示了 CMA 配合物发光高分子在构筑高效旋涂型 OLED 方面的巨大潜力。该成果以 “Luminescent carbene–copper(I)–amide polymers for efficient host-free solution-processed OLEDs”(《铜(I)配合物发光高分子实现高性能的非掺杂溶液加工型 OLED》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上。

论文信息

  • Luminescent carbene–copper(I)–amide polymers for efficient host-free solution-processed OLEDs
    Yao Tan, Ao Ying, Jianlong Xie, Guohua Xie and Shaolong Gong*龚少龙,武汉大学)
    Chem. Sci., 2024, 15, 11382–11390
    https://doi.org
    /10.1039/D4SC01865F

作者简介

谭瑶 博士研究生
武汉大学

本文第一作者,武汉大学化学与分子科学学院博士生,导师为龚少龙教授。主要研究方向为卡宾铜发光配合物的设计合成、光物理研究及其光电应用。







龚少龙 教授
武汉大学

本文通讯作者,武汉大学教授,博士生导师,长期从事有机光电功能材料与器件研究,目前聚焦新一代(金属)有机半导体发光材料的设计合成、结构与性能及其光电应用研究。迄今为止,在 Sci. Adv.,J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.,Adv. Mater. 等国际著名学术期刊上发表 SCI 论文 140 余篇。主持国家优秀青年科学基金(2020 年)、国家自然科学基金面上项目,湖北省杰出青年基金(2017 年)等项目。曾获 2015 年湖北省自然科学奖一等奖。

期刊介绍

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Chem. Sci.

2-年影响因子*7.6
5-年影响因子*8.0
JCR 分区*Q1 化学-综合
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

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