客观日本

日本理研发现OLED新发光机制,能在低电压下选择性形成三重态激子

2019年06月13日 化学材料
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日本理化学研究所(简称“理研”)的一个国际联合研究小组发现了能在低电压下有选择地形成三重态激子的新机制。三重态激子在有机电致发光器件(OLED)中发挥着重要作用,这项研究成果有望提高OLED器件的能量效率,扩大发光材料的选择范围。

此次,研究小组利用自主开发的扫描隧道显微镜(STM)光谱仪,在单分子水平上详细调查了带负电的分子发光特性。调查发现,由于分子内存在剩余电子,电子之间会发生相互作用,进行自旋选择性电子传导,从而在低电压下有选择地形成三重态激子。

日本理研发现OLED新发光机制,能在低电压下选择性形成三重态激子

图:利用STM对PTCDA分子进行单分子发光测量的示意图

有机分子的发光包括一重态激子(S1)发光的“荧光”和三重态激子(T1)发光的“磷光”两种(图1)。在S1和T1中,占据前线轨道(最高占据轨道HOMO和最低未占轨道LUMO)的各个电子的自旋方向不同。在S1中,两个轨道的自旋方向反向平行,而在T1中则是平行的。与S1相比,T1的形成效率更高,因此采用磷光的OLED器件占主流。不过,采用磷光的OLED器件存在两个问题,即驱动电压比采用荧光的器件高、蓝色磷光材料尚未实现商用化。

日本理研发现OLED新发光机制,能在低电压下选择性形成三重态激子

图1:荧光和磷光的发光原理

研究小组利用自主开发的STM光谱仪,进行了单分子发光测量。图2a是实验概念图。该实验系统是OLED器件最简单的模型,利用STM探针和金属基板作为正负电极,二者中间存在有机分子并有电流通过。实验对象采用易于获取电子的3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PTCDA)分子(图2b),吸附分子的基板采用在银基板上生长的氯化钠(NaCl)绝缘膜。PTCDA分子吸附到该基板上后,会从金属基板获取一个电子,并形成带负电的状态。

研究小组加载3.5V的电压进行实验,获得了图2c所示的发光光谱。图中1.33eV(933nm)处出现的发光峰值是来自PTCDA分子的磷光(T1的发光),2.45eV(505nm)处出现的发光峰值为荧光(S1的发光)。

日本理研发现OLED新发光机制,能在低电压下选择性形成三重态激子

图2:实验概念图及PTCDA的STM发光光谱

相关论文发表在英国科学期刊《自然》(6月13日号)上,已于6月6日率先发表于网络版。

日文全文

文:JST客观日本编辑部

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