OLED材料与技术的重大突破：突破热力学极限的新型n型掺杂

广州华睿光电材料有限公司以新一代显示与发光技术需求为出发点，致力于OLED材料的自主开发及系统的材料解决方案，推进OLED材料国产化。在OLED材料研发过程中，华睿光电一直与国际学术前沿一流研发团队保持着紧密的合作。自2016年起，华睿光电与美国普林斯顿大学Antoine Kahn教授课题组建立了良好的合作关系，共同在电子传输材料及n型掺杂材料的研发开展合作。近日，Kahn教授课题组的相关工作发表在自然杂志子刊《Nature Materials》，华睿光电在该项工作中参与讨论并提供了实验所用部分电子传输材料。

 

有机半导体可以被用来制备柔性设备，但是本身弱的导电性成为了其发展的一个制约性因素。科研工作者致力于改善有机半导体的导电性质使它们能够被运用在更多领域。目前，这类半导体性能的改善主要依靠于体系的掺杂，即向体系中加入少量的化学物质。研究者发现掺杂物的种类和浓度能够极大的影响半导体的电学结构及特性。

 

图1 掺杂化合物[RuCp*Mes]2的分解

最近，来自普林斯顿大学Kahn课题组发现了一种能够有效提高有机半导体导电率的方法，以题为《Beating the thermodynamic limit with photo-activation of n-doping in organic semiconductors》发表在自然杂志子刊《Nature Materials》。文中他们主要利用的是一种含钌的金属配合物[RuCp*Mes]2（[Ru]2，图1），这类化合物在体系中充当还原剂的角色。不同于一些较强的还原剂，此类化合物有着很好的空气稳定性，在固态及溶液相中都表现出了良好的给电子能力，并且能与此前不易掺杂的有机半导体体系混合使用。在这篇研究中，这类新型的掺杂化合物能够使半导体的导电性提高106倍。对于上述现象，文章进行了深入的探讨。

图2 以Alq3作为发光层的OLED器件结构及其能级分布图（A，B），未掺杂的POPy2作为缓冲层避免掺杂物进入PEDOT:PSS（HIL）改变其功函。电流密度和发光强度与驱动电压的关系（c），器件外部量子效率与电流密度的关系图（d）。紫色、绿色及黑色线条分别表示掺杂并活化、掺杂未活化及未掺杂体系。实线和虚线分别代表第一次和第十次扫描。此图例用以说明OLED的ETL自活化过程。

因为紫外光的照射，钌的金属配合物二聚体[Ru]2会逐渐分解，并活化掺杂体系，使得导电率得到极大的提升。更为有趣的是，即使外界的紫外光停止照射，导电率也没有明显的降低。虽然热力学上，分解后的单体会倾向于回到二聚体的形式，但事实上这些单体会分散于这个体系并且在动力学上被限制住，使得导电率不受到较大影响。此外，他们也利用此类材料制备了有机发光二极管用以评判它的表现能力（图2A，B）。

Kahn课题组选用PEDOT:PSS体系作为电子注入层（HIL）。当使用未掺杂的POPy2作为电子传输层（ETL）时，因为电子的注入能垒较高，整个体系的电流密度及发光强度都很弱。而[Ru]2可以有效的消除材料间接触功函的限制，在掺杂并活化的POPy2体系中（[Ru]2/ POPy2= ~1.4），其电流密度可以提升两个数量级，并且可以达到Alq3器件标准的外部量子效率（~ 1%），即使掺杂物未经紫外光照射，OLED发出的微弱的光仍然可以使ETL逐渐活化，使得OLED的导电率和发光强度渐渐增强（图2C，D）。将器件在黑暗中氮气氛围下放置2个星期，其也可以再次活化，有着较高的稳定性。而以Ir(ppy)3/TPBi作为发光层的OLED器件不需优化其EQE即可达到18%，并显示了良好的热力学稳定性（图3）。

图3 以Ir(ppy)3/TPBi作为发光层的OLED器件结构及化合物的能级分布图（a，b），电流密度和发光强度与驱动电压的关系（c），器件外部量子效率与电流密度的关系图（d）。紫色、绿色及黑色线条分别表示掺杂并活化、掺杂未活化体系。实线和虚线分别代表第一次和第十次扫描。

    此文章对于n型掺杂物提高导电率机理的深入探讨以及其在多种有机发光二极管中的应用，为制备更高效的有机半导体、有机发光二极管提供了更多的可能。本文中所选用的电子传输材料部分来自于华睿光电，是华睿光电与Kahn课题组开展n型掺杂物合作的良好开端。

原文：Beating the thermodynamic limit with photo-activation of n-doping in organic semiconductors. DOI: 10.1038/nmat5027.

链接：

https://www.nature.com/articles/nmat5027

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https://engineering.princeton.edu/news/2017/11/17/breakthrough-could-launch-organic-electronics-beyond-cellphone-

 

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http://www.esmchina.com/news/article/201711291038

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文：李涛博士，相关内容及数据参考自Nature Materials论文原文及所列网页报道原文。