[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过利用有机自由基中的自旋双态激子，实现了高效的近红外有机发光二极管（OLED），具体采用TTM-TPA自由基作为客体发光材料。通过设计一种具有三线态能级匹配的蒽衍生物为主体的主体:客体体系，作者通过可逆的主体-客体三线态-双线态能量转移，在800 nm波长处实现了高达9.6%的外量子效率，从而克服了非辐射损失。

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.

研究动机与目标

• 开发适用于生物成像和监控应用的高效近红外OLED。
• 克服限制有机自由基基OLED性能的非辐射衰变路径。
• 利用有机自由基中的自旋双态激子，提升辐射跃迁效率。
• 设计具有最佳能级匹配的主体:客体体系，以实现从主体到自由基客体的高效三线态能量转移。

提出的方法

• 采用三(2,4,6-三氯苯基)甲基-三苯胺（TTM-TPA）作为具有800 nm强近红外发射的自由基客体发光材料。
• 使用具有匹配三线态能级的电荷传输型蒽衍生物作为主体，其三线态能级与TTM-TPA自由基的双线态匹配。
• 通过精确的能级工程，实现主体与客体之间可逆的三线态-双线态能量转移。
• 通过光学光谱学和量子化学模拟，确认能量转移机制与激子动力学。
• 在电致发光工作条件下测量外量子效率（EQE），以评估器件性能。
• 通过光谱数据与器件效率指标的相关性，验证该机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 有机自由基中的自旋双态激子是否能够实现OLED中高效的近红外发射？
• RQ2 可逆的三线态-双线态能量转移在提升器件效率方面起到何种作用？
• RQ3 主体与客体材料之间的能级匹配如何影响激子捕获与EQE？
• RQ4 非辐射路径在多大程度上限制了自由基基OLED的性能，以及如何加以缓解？
• RQ5 具有匹配三线态与双线态能级的主体:客体体系是否能够在近红外波段实现高EQE？

主要发现

• TTM-TPA自由基在800 nm处表现出强近红外发射，具有适用于OLED应用的有利光学性质。
• 通过光学光谱学和量子化学模拟，证实了可逆的主体-客体三线态-双线态能量转移。
• 器件在800 nm处实现了最大9.6%的外量子效率（EQE），标志着近红外OLED性能的重大进展。
• 主体三线态激子向自由基双线态的转移，实现了对原本非辐射性三线态激子的有效捕获。
• 主体:客体能级匹配最大限度地减少了非辐射损失，并增强了辐射跃迁效率。
• 实验表征与理论模拟的结合，验证了自由基基OLED中高效激子利用的机制。