采用n型宿主材料和Ir(III)配合物的高效、长寿命溶液加工红色PHOLED

《Organic Electronics》：High-efficiency and long-lifetime solution-processed red PHOLEDs using n-type host materials and an Ir(III) complex

溶液加工红色磷光有机电致发光器件（PHOLEDs）面临低效率和短寿命的挑战，本研究通过设计高光量子产率（>95%）的红色磷光发射体Red12和两种基于萘的n型宿主材料DPTPN、DPTPMN，实现LUMO能级精准匹配以优化电荷传输，显著降低激子淬灭和电荷捕获，最终获得29.5%和28.9%的最大外量子效率，并使器件寿命提升50倍。

　　

朴浩悦 | 黄英俊 | 郑贤宇 | 宋东亨 | 金惠琳 | 拉贾·库马雷桑 | 李英宇 | 金成镐

韩国釜山国立大学，塑料信息与能源材料研究所，光伏能源可持续利用研究中心（ERC），化学材料研究生院，化学教育系，46241

摘要

为了降低能耗和制造成本，需要高性能的溶液处理型红色荧光有机发光二极管（PHOLED）。然而，现有的溶液处理型红色PHOLED性能较低，使用寿命较短。我们设计并合成了一种红色荧光剂和两种n型宿主材料，以实现高效的红色PHOLED。所开发的红色荧光剂Red12具有较高的热稳定性，光致发光量子产率超过95%。基于萘的n型宿主材料2-(4-(萘-1-基)苯基)-4,6-二苯基-1,3,5-三嗪（DPTPN）和2-(4-(2-甲基萘-1-基)苯基)-4,6-二苯基-1,3,5-三嗪（DPTPMN）具有合适的LUMO能级、较高的载流子迁移率以及优异的热稳定性。特别是DPTPN与红色掺杂剂之间的LUMO能级匹配，减少了电荷捕获和激子淬灭现象，从而提高了器件效率和稳定性。基于DPTPN或DPTPMN优化的红色PHOLED的最大外部量子效率分别为29.5%和28.9%，电流效率分别为43.1 cd/A和42.5 cd/A，功率效率分别为33.8 lm/W和33.4 lm/W。此外，含有TCTA:DPTPN:Red12发射层的器件寿命是含有TCTA:TPBi:Red12器件的50倍。

引言

溶液处理型有机发光二极管（OLED）由于具有诸多优点（如较低的制造成本和材料浪费、更大的大规模生产潜力以及适用于柔性及可穿戴设备的制造），因此受到了比干法处理OLED更多的研究关注。[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] 然而，由于在性能和使用寿命方面仍不及干法处理OLED，因此还需要进一步的发展。此外，在器件制造过程中，层间的顺序堆叠、残留溶剂的去除、形态缺陷以及底层损伤仍然是挑战。[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20] 此外，开发的溶液处理型OLED必须满足溶解性、热稳定性、薄膜均匀性和耐溶剂性要求，这意味着必须谨慎选择发光剂和载流子传输材料。

已经制备了几种基于聚合物发光剂的溶液处理型OLED，这些聚合物发光剂具有多功能性、良好的成膜性能和高溶解性。[21], [22], [23], [24] 此外，小分子荧光发光剂表现出良好的色域和稳定性，[25], [26], [27], [28], [29], [30] 但由于理论限制（单重态（S₁）和三重态（T₁）之间的能量转移受阻，其器件性能受到限制。为了解决这些问题，开发了基于重金属的荧光发光剂（如Ir(III)和Pt(II)配合物）来替代荧光发光剂。由于重金属的强自旋-轨道耦合效应（通过S₁和T₁态之间的自旋混合），[31], [32] 可以有效地通过系间跃迁和T₁到基态（S₀的辐射弛豫来捕获S₁和T₁激子。荧光发光剂的内量子效率已接近100%，因此溶液处理型荧光有机发光二极管（PHOLED）具有优异的外部量子效率（EQE）。[33], [34], [35], [36]

此外，载流子传输材料（n型和p型材料）的设计至关重要，因为它们必须满足主要发光剂的要求（适当的最高占据分子轨道（HOMOs）和最低未占据分子轨道（LUMOs），以及足够高的T₁能级以防止激子反向转移。在发射层（EML）中，已经开发了单极型和双极型材料以增强颜色纯度、实现载流子密度平衡并抑制非辐射弛豫。特别是，形成激子复合物的n型和p型宿主材料由于扩展了激子生成区域，有望提高EQE和器件寿命，从而抑制单重极化子淬灭（SPQ）、三重极化子淬灭（TPQ）和三重极化子-三重极化子湮灭（TTA）。[37], [38], [39], [40] 最近，提出了用于激子复合物的杂化局部和载流子传输受体。[41], [42] 然而，目前对宿主材料的开发主要集中在蓝色和绿色发光剂上。因此，针对溶液处理型红色PHOLED的宿主材料设计至关重要，因为红色发光剂的能量水平较低，可能导致EML中的载流子捕获。

在这里，我们设计并合成了一种红色荧光发光剂和两种n型宿主材料。红色发光剂Red12的光致发光量子产率（PLQY）超过95%。两种新型的基于萘的n型宿主材料2-(4-(萘-1-基)苯基)-4,6-二苯基-1,3,5-三嗪（DPTPN）和2-(4-(2-甲基萘-1-基)苯基)-4,6-二苯基-1,3,5-三嗪（DPTPMN）具有较高的热稳定性，玻璃化转变温度（T_g）分别为120°C和135°C，分解温度（T_d）分别为327°C和331°C。DPTPN和DPTPMN合适的LUMO能级和良好的电子传输性能减少了电子捕获和操作电压，使得n型宿主与红色发光剂之间的电子传输更加顺畅。此外，由DPTPN或DPTPMN/TCTA组成的混合薄膜表现出激子复合物的形成。溶液处理型红色PHOLED表现出减少的极化子诱导激子淬灭现象，这归因于优化的电荷平衡和EML内的电荷捕获最小化。使用DPTPN和DPTPMN优化的红色PHOLED的最大EQE（EQE_max）分别为29.5%和28.9%，电流效率（CEs）分别为43.1 cd/A和42.5 cd/A，功率效率（PE）分别为33.8 lm/W和33.4 lm/W。

材料设计与合成

基于三嗪的n型宿主材料因其较高的热稳定性、合适的能级、良好的电子传输能力和增强的键解离能而成为OLED的有吸引力的候选材料。[43], [44], [45], [46] 萘单元被用作传输材料和发光剂，因为它们能高效传输电荷、稳定性好且易于合成衍生物。然而，基于萘的宿主材料尚未用于溶液处理型OLED

总结

我们描述了采用新型发光剂和n型宿主材料开发的高效溶液处理型红色PHOLED。尽管溶液处理具有潜在优势，但要实现高效、稳定的红色PHOLED仍具有挑战性。在本研究中，合成的荧光发光剂Red12表现出超过95%的PLQY和优异的热稳定性。此外，还设计了两种基于萘的n型宿主材料DPTPN和DPTPMN

CRediT作者贡献声明

朴浩悦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，实验研究，概念化。金成镐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，指导，概念化。李英宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。拉贾·库马雷桑：撰写 – 审稿与编辑。金惠琳：数据分析。宋东亨：实验研究，数据分析。郑贤宇：撰写 – 审稿与编辑

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

朴浩悦、黄英俊和郑贤宇对这项工作做出了同等贡献。本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号：RS-2023-NR076407、RS-2024-00460144、RS-2025-00512708和RS-2025-00515315），资金来源于韩国科学技术信息通信部。