热激发延迟荧光OLED中激子行为对器件稳定性的影响研究

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有机电致发光二极管(OLED)具有高效率、宽视角、高对比度、快速响应、质量轻、大面积均匀发光、可实现柔性显示等独特优点而在固态光源和全彩显示的背光源领域有广泛应用前景。制备OLED的材料主要有荧光材料、磷光材料和热激发延迟荧光(TADF)材料。由于受电子自旋统计的限制,荧光材料是单重态(S1)激子发光,其器件的内量子效率最大不超过25%,功率效率(PE)较低。磷光材料能够有效的俘获单重态和三重态(T1)激子而辐射发光,实现100%的内量子效率,但磷光发光材料的稳定性较差,导致器件的寿命无法满足实际应用的要求。热激发延迟荧光材料不含贵金属且具有较小的单重态和三重态能量差(ΔEST),其三重态激子可以反向系间窜越(RISC)到单重态,得到较高产量的单重态荧光,最终实现100%的内量子效率,近来备受青睐。目前,基于热激发延迟荧光材料制备的单色光OLED外量子效率(EQE)已接近或超过30%,但是,蓝光、红光热激发延迟荧光材料及器件在满足高效率的同时器件的亮度低、稳定性差,成为影响TADF OLED产业化的瓶颈之一。本文采用蓝色(1,2-双(咔唑-9-基)-4,5-二氰基苯(2CzPN))和橙红色(2,3,5,6-四(3,6-二苯基咔唑-9-基)-1,4-二氰基苯(4CzTPN-Ph))TADF发射体材料掺杂于双极性主体材料作为发射体制备单色光器件,并设计热激发延迟荧光/磷光混合型白光有机发光二极管(WOLED)来研究激子行为对TADF OLED稳定性的影响。首先,设计基于磷光材料双(4,6-(二氟苯基)-吡啶基-N,C20)吡啶甲酸铱(III)(FIrpic)和TADF材料2CzPN的蓝光器件,通过优化器件的空穴传输层厚度、发射体的掺杂浓度、电子传输层厚度以及激子阻挡层,制得基于FIrpic发射体的器件最高外量子效率、功率效率、电流效率(CE)分别为26.4%、43.26 lm/W和41.33 cd/A,基于2CzPN发射体的器件最大EQE、PE和CE分别为20.2%、41.7 lm/W和39.8 cd/A。还发现去掉10 nm双-4-(N-咔唑基)苯基氧化膦(BCPO)激子阻挡层,器件的效率滚降变慢,但是器件的效率也有所下降。在此研究基础上,利用4CzTPN-Ph作为发射体材料制备橙红光OLED,采取优化发射体掺杂浓度、激子阻挡层材料及厚度、电子传输层厚度等方法,制得的最优器件的EQEmax、PEmax和CEmax分别为15.56%、39.71 lm/W和41.08 cd/A,稳定性最好的器件的量子效率最大值达到14.74%。当亮度为1000 cd/m2时,依然能保持12.59%。兼顾单色器件的效率及稳定性设计并优化热激发延迟荧光/磷光混合型WOLED,获得性能稳定的器件的EQEmax、PEmax和CEmax分别为17.40%、32.62 lm/W和38.32cd/A,在亮度为1000 cd/m2时,EQE=17.29%,量子效率滚降率约为0.65%,国际照明委员会(CIE)坐标为(0.30,0.38)。并用能量转移和传输理论对器件性能差异的原因进行了分析。该论文的研究结果将为制备高效率和高稳定性的TADF OLED提供理论基础。
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