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科普:OLED材料的发光原理(三)TADF材料

前提回顾

上一节讲到,有机材料的激发态分为单重态和三重态。当电子受激发跃迁时,有25%的电子会处于单重态,75%的电子会处于三重态。单重态向基态跃迁所发出的光称为荧光(TADF材料也是);三重态向基态跃迁所发出的光称为磷光。

三种材料的原理示意图(来源:天极网)

荧光材料受激发后发出的光会快速衰减直至熄灭,这是因为处于单重态的电子不需调整自旋方向便可返回基态,这很符合泡利不相容原理,所以跃迁速度很快。而磷光材料刚好相反,受激发之后会持续发光一段时间,效果如同夜明珠。

单重态的电子因为自旋相反,很容易跃迁

对于磷光材料,三重态电子与基态电子自旋相同,有的电子并没有那么想跃迁,所以速度不快,有延迟发光的特点。

荧光材料的内量子效率最高只有25%,是因为其三重态有跃迁禁戒(即处于三重态的电子无法和基态的电子形成自旋轨道耦合,向基态跃迁违反泡利不相容原理),所以电子无法以发光的形式跃迁回基态,通常以热量的形式释放能量。

但如果在有机分子中加入一个重金属(例如Ir、Pt、Re等,其中Ir具有较短的三线态寿命,在室温下有较高的发光效率和较强的磷光被广泛用于磷光材料中),可在有机材料内形成较强的自旋轨道偶合效应,使电子从三重态跃迁回基态成为可能(普林斯顿大学教授Forrest在1997年发现)。

磷光材料利用了75%的三重态能量,所以内量子效率理论上可以达到100%,这有利于降低器件电力能耗、减少热量产生、提高器件稳定性和延长器件使用寿命。磷光材料性能虽好,但Ir这种重金属储量非常有限,价格贵的要死还污染环境。

那如何在不使用重金属的同时又能达到100%的内量子效率呢。九州大学教授安达千波矢在2012年发表的《Nature》文章给出了答案:TADF。

(安达教授曾在普林斯顿大学师从Forrest教授,真是名师出高徒)

在介绍TADF之前,还有两个技术要说一说,看看就行不用深究。

① TTA(triple-tripleannihilation):利用电子在三重态的湮灭效应,提高单重态电子的总量,具体来讲就是两个三重态的电子相互湮灭,生成一个基态电子和一个单重态电子,然后这个生产的单重态的电子再跃迁回基态发出荧光,TTA在上世纪60年代就有人研究,理论极限效率62.5%,后来TTA技术一直没有实用化,如今有了100%转换效率的TADF技术,TTA就更无人问津了。

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