image: Synthetic route and molecular structure of Ce-2 complex view more
Credit: @Science China Press
自诞生以来，有机发光二极管（Organic light-emitting diode, OLED）在三十年间已经发展成为一个价值数百亿美元的产业，并正在逐步改变现代生活。在产业应用中，具有100%激子利用率的高效磷光材料已经能够满足三基色红光和绿光器件的需求，但是较长的激发态寿命（通常长于1微秒）和较高的激发态能量使得基于蓝色磷光材料的器件稳定性不佳。因此，目前产业中使用的蓝色发光材料仍是激子利用率较低但激发态寿命较短（纳秒）的荧光材料。
传统的f-f跃迁稀土配合物兼具100%激子利用率和可实现高色纯度红光、绿光的有点，是一类比磷光材料更早应用于OLED研究的发光材料。然而，f-f跃迁本征毫秒级的激发态寿命限制了器件性能的提升，使得多年来稀土配合物电致发光研究领域的进展非常缓慢。
最近，北京大学研究团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究论文，将具有纳秒级短激发态寿命的d-f跃迁稀土铈(III)配合物Ce-2（如上图）引入OLED，实现了高效天蓝色发光，证明了此类配合物可以实现100%的激子利用率。更重要的是，相较于发光颜色相近的传统铱(III)配合物磷光器件，基于Ce-2器件的工作稳定性也大幅提高。
与其他三价稀土离子不同，Ce(III)离子中的4f1电子可以产生4f-5d跃迁，其激发态寿命只有数十纳秒，发光波长一般处于近紫外到可见光区域，在无机荧光粉中应用广泛。但是，由于配体和环境中小分子的淬灭作用，大部分Ce(III)配合物都不发光。作者使用的吡唑硼类配体具有多齿的配位能力和较为刚性的结构，可以对中心Ce(III)离子进行有效的保护。因此，Ce-2在掺杂薄膜中发光效率达95%，激发态寿命为52 ns。
基于Ce-2的OLED器件表现出了高达20.8%最大外量子效率。据此可以推测器件中激子利用率接近100%。与发光颜色类似的Ir(III)配合物器件相比，Ce(III)配合物器件的效率滚降更小，器件最大亮度增加，工作稳定性提升了约70倍。瞬态电致发光表征表明，Ce-2器件的激发态寿命只有Ir(III)配合物器件的1/16。作者认为这是器件性能提升的主要原因。
鉴于Ce(III)配合物同时具备100%的激子利用效率和纳秒级的发光寿命，此类材料有希望制备兼具高效和稳定优点的蓝光OLED。此外，考虑到Ce(III)配合物具备可调的发光光谱和较低的原料成本，此类材料有望成为新一代发光材料实现OLED全色显示和照明。
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上述成果以“Efficient rare earth cerium(III) complex with nanosecond d-f emission for blue organic light-emitting diodes”发表于National Science Review，北京大学刘志伟副教授为通讯作者。北京大学博士后赵子丰，博士生王李玎为共同第一作者。该研究受到国家重点研发计划、北京市自然科学基金、中国博士后基金的资助。
文章信息：
Efficient rare earth cerium(III) complex with nanosecond d-f emission for blue organic light-emitting diodes
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa193
Journal
National Science Review