[論文レビュー] Efficient near-infrared organic light-emitting diodes with emission from spin doublet excitons

Hwan‐Hee Cho, Sebastian Gorgon+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2023

Organic Light-Emitting Diodes ResearchEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、有機ラジカルにおけるスピンダブルレット励起子を活用することで、近赤外領域の有機発光ダイオード（OLED）を効率的に実現した。特に、TTM-TPAラジカルをゲスト発光体として用い、アンタラセン骨格を有するホストにおいて三重項状態のエネルギーを適合させたホスト:ゲスト系を設計することで、可逆的ホスト-ゲスト三重項-ダブルトンエネルギー移動を介し、800 nmで最大9.6%の外部量子効率を達成した。これにより、非放射的損失を克服した。

ABSTRACT

The development of luminescent organic radicals has resulted in materials with excellent optical properties for near-infrared (NIR) emission. Applications of light generation in this range span from bioimaging to surveillance. Whilst the unpaired electron arrangements of radicals enable efficient radiative transitions within the doublet-spin manifold in organic light-emitting diodes (OLEDs), their performance is limited by non-radiative pathways introduced in electroluminescence. Here, we present a host:guest design for OLEDs that exploits energy transfer with demonstration of up to 9.6% external quantum efficiency (EQE) for 800 nm emission. The tris(2,4,6-trichlorophenyl)methyl-triphenylamine (TTM-TPA) radical guest is energy-matched to the triplet state in a charge-transporting anthracene-derivative host. We show from optical spectroscopy and quantum-chemical modelling that reversible host-guest triplet-doublet energy transfer allows efficient harvesting of host triplet excitons.

研究の動機と目的

• バイオイメージングおよび監視用途を想定した効率的な近赤外領域OLEDの開発。
• 有機ラジカルを用いたOLEDの性能を制限する非放射的衰えの経路の克服。
• 有機ラジカルにおけるスピンダブルレット励起子を活用し、放射遷移効率の向上を図ること。
• ホストからラジカルゲストへの効率的な三重項エネルギー移動を実現するための最適なエネルギー準位整合を有するホスト:ゲスト系の設計。

提案手法

• 800 nmで強い近赤外発光を示すラジカルゲスト発光体として、トリス(2,4,6-トリクロロフェニル)メチル-トリフェニルアミン（TTM-TPA）を用いる。
• TTM-TPAラジカルのダブルトン状態と一致する三重項エネルギー準位を有する、電荷輸送性を有するアンタラセン誘導体ホストを用いる。
• 正確なエネルギー準位工学により、ホストとゲスト間の可逆的三重項-ダブルトンエネルギー移動を可能にする。
• 光学分光法および量子化学的モデリングを用いて、エネルギー移動メカニズムと励起子ダイナミクスを確認する。
• 発光電気的動作下での外部量子効率（EQE）を測定し、デバイス性能を評価する。
• 分光的データとデバイス効率指標の相関をもとに、メカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機ラジカルにおけるスピンダブルレット励起子は、OLEDにおける効率的な近赤外発光を可能にするか？
• RQ2 可逆的三重項-ダブルトンエネルギー移動は、デバイス効率の向上にどのような役割を果たすか？
• RQ3 ホストとゲスト材料間のエネルギー準位整合は、励起子の収率とEQEにどのように影響を与えるか？
• RQ4 非放射的経路は、ラジカルを用いたOLEDの性能をどの程度制限しており、どのように緩和できるか？
• RQ5 三重項状態とダブルトン状態が一致するホスト:ゲスト系は、近赤外領域で高いEQEを達成できるか？

主な発見

• TTM-TPAラジカルは、800 nmで強い近赤外発光を示し、OLED応用に適した良好な光学的特性を有する。
• 光学分光法および量子化学的モデリングにより、可逆的ホスト-ゲスト三重項-ダブルトンエネルギー移動が確認された。
• デバイスは800 nmで最大9.6%の外部量子効率（EQE）を達成し、NIR-OLED性能において顕著な進展を示した。
• ホストの三重項励起子からラジカルのダブルトン状態へのエネルギー移動により、通常非発光的となる三重項励起子が効率的に利用可能となった。
• ホスト:ゲストのエネルギー準位整合により、非放射的損失が最小限に抑えられ、放射遷移効率が向上した。
• 実験的特性評価と理論的モデリングの組み合わせにより、ラジカルを用いたOLEDにおける効率的励起子利用メカニズムが裏付けられた。