In dit werk, de auteurs hebben een hoge externe kwantumefficiëntie (EQE) aangetoond in diepblauwe organische lichtemitterende diodes (OLED's) op basis van een nieuw cerium (III) complex Ce-1 als de emitter, die 100% exciton-gebruiksefficiëntie (EUE) kan bereiken. In combinatie met zijn korte levensduur in aangeslagen toestand, instelbaar emissiespectrum, en lage kosten, cerium(III)-complex heeft het potentieel om diepblauwe OLED's te ontwikkelen met een hoge efficiëntie en stabiliteit op lange termijn, en ook om uit te breiden op het gebied van full-color OLED's.

Vergeleken met traditionele weergavetechnologieën, organische light-emitting diodes (OLED's) hebben veel voordelen, zoals hoog contrast, kleurrijk, grote kijkhoek, lichtgewicht, flexibiliteit, enzovoort. Tot nu toe, OLED's zijn met succes gecommercialiseerd in de nichemarkt voor beeldschermen en worden nu intensief onderzocht voor andere toepassingen, zoals solid-state verlichting.

Gedurende de afgelopen drie decennia, fluorescentie, fosforescentie, thermisch geactiveerde vertraagde fluorescentie (TADF), en organische radicale materialen zijn vervolgens toegepast als emitters vanwege het streven naar hoge efficiëntie, stabiliteit op de lange termijn, en goedkope OLED's. Als een nieuw type emitter in OLED's, cerium(III)-complexen hebben veel potentiële voordelen. Eerst, de auteurs stellen voor dat de theoretische excitongebruiksefficiëntie (EUE) wel 100% zou kunnen zijn, aangezien het cerium(III)-complex een doublet 5d-4f-overgang vertoont van het enkele elektron van het centrum van cerium(III) (4f1-configuratie) -ionen in plaats van een singlet en/of triplet overgang, die niet zal worden beperkt door spin-statistieken.

Tweede, Van cerium(III)-complexen wordt verwacht dat ze stabieler zijn in OLED's, aangezien hun levensduur in aangeslagen toestand over het algemeen tientallen nanoseconden is. Derde, cerium(III)-complexen zijn inherente blauwe of ultraviolette emitters, zoals aangetoond in de literatuur, hoewel hun emissiekleuren theoretisch kunnen worden beïnvloed door het ligandveld. Bovendien, cerium(III)-complexen zijn goedkoop omdat de overvloed aan cerium in de aardkorst 0,006 gew.% is, dat is vier ordes van grootte hoger dan die van iridium (0,0000001 gew.%) en zelfs iets hoger dan die van koper (0,005 gew.%). Vandaar, het cerium(III)-complex heeft het potentieel om diepblauwe OLED's te ontwikkelen met een hoog rendement, stabiliteit op de lange termijn, en lage kosten.

Echter, de meeste gerapporteerde cerium(III)-complexen zijn niet-emitterend omdat klassieke liganden en oplosmiddelmoleculen blijken de luminescentie van cerium(III)-ionen te doven na coördinatie. Vandaar, elektroluminescentie-onderzoeken op cerium(III)-complexen zijn zeer zeldzaam, en hun voordelen zijn niet aangetoond. Daten, er zijn slechts drie voorbeelden van elektroluminescentieonderzoek van cerium(III)-complexen in de literatuur. Onder deze voorbeelden, de maximale externe kwantumefficiëntie (EQE) van het beste resultaat is minder dan 1%. Als doorbraak, de auteurs rapporteren een nieuw en neutraal cerium(III)-complex Ce-1 met stijve schorpioenliganden die een hoge fotoluminescentie-kwantumopbrengst (PLQY) tot 93% in gedoteerde film vertonen en bijgevolg een hoge gemiddelde EQE van 12,4% in prototype-OLED's.

Het complex Ce-1 werd gesynthetiseerd door kaliumhydrotris (3, 5-dimethylpyrazolyl)boraat (KTpMe ₂ ) met Ce(CF ₃ DUS ₃ ) ₃ in tetrahydrofuran (THF), vergezeld van hydrolyse vanwege een sporenhoeveelheid water in het oplosmiddel. Door de chelerende coördinatie van de twee multidentate rigide liganden, het centrale cerium(III)-ion wordt effectief beschermd tegen de invloed van uitdoving uit de omgeving. Ce-1-poeder straalt diepblauw licht uit, en het spectrum toont de typische dubbele-piek-emissie van cerium(III)-ionen met een levensduur in aangeslagen toestand van 42 nanoseconden. De PLQY van zijn poeder is maar liefst 82%.

Wat betreft de elektroluminescentie-eigenschap van Ce-1, dit artikel gebruikt eerst de bipolaire BCPO als gastheermateriaal. Door het testen van de PLQY en de oriëntatieverhouding van de emitterende laag (BCPO:Ce-1), en de EQE van het apparaat, de EUE van Ce-1 in het apparaat wordt afgeleid als 100%. Vervolgens, dit artikel gebruikt de TSPO1:CzSi als gastheermateriaal om de PLQY van de gedoteerde film aanzienlijk te verhogen tot 93%, en ten slotte bereikt de maximale EQE van het geoptimaliseerde apparaat 14% met de maximale helderheid van 1008 cd m ^-2 . De coördinaten van de Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) van dit apparaat zijn (0.146, 0,078).

In deze krant, de mechanismen van fotoluminescentie en elektroluminescentie worden ook bestudeerd. Eerst, de elektronen paramagnetische resonantie (EPR) spectroscopie van Ce-1 poeder bevestigde dat Ce-1 paramagnetisch is. Density functional theory (DFT) berekeningen laten ook zien dat de donor en acceptor voor de eerste symmetrie toegestane overgang werden herkend als de 4f en 5d orbitalen van het centrale cerium (III) ion. De aangeslagen toestand levensduur van tientallen nanoseconden en de dubbele emissiepiek met een energieverschil van ~2000 cm ^-1 geven ook aan dat het diepblauwe licht afkomstig is van de doublet 5d-4f-overgang van het cerium(III)-ion. Door het elektroluminescentiespectrum van het apparaat te vergelijken met het fotoluminescentiespectrum van de overeenkomstige gedoteerde film, en het voorbijgaande elektroluminescentiespectrum, er wordt afgeleid dat de recombinatie van dragers plaatsvindt op het Ce-1-complex in plaats van op het gastheermateriaal. Op basis van verdere analyse van de inschakelspanning van het apparaat en de bandgap tussen het ligand en het centrale ion, dit artikel concludeert dat de cerium(III)-ionen direct elektronen/gaten kunnen vangen om doublet-excitonen te vormen en diepblauw licht uit te zenden.