化学所董焕丽AM：在高迁移率发射有机半导体中捕获三重态激子以提高发光晶体

虾米无名

有机发光晶体管(OLETs)是一种高度集成和小型化的光电器件，在各个领域显示出巨大的应用潜力。高性能OLETs的构建需要在活性层中整合高电荷载流子迁移率、强发射和高三线态激子利用效率。然而，它仍然是一个重大的长期挑战，特别是对于单组分活性层OLETs。
近日，中科院化学所董焕丽研究员等人证明了通过三重态-三重态湮灭(TTA)过程，在高迁移率发射分子2，6-二苯基蒽(DPA)中成功地捕获了三重态激子。通过将高发射客体结合到DPA主体系统中，光致发光效率以及激子利用效率的明显增加导致OLETs的外部量子效率明显提高，与未掺杂的器件相比提高了7.2倍。此外，通过用受控的能量转移过程调节掺杂浓度，也可以实现来自OLETs的良好可调谐的多色电致发光，特别是CIE为(0.31，0.35)的白光发射。这项工作为集成高迁移率有机半导体中的强发射和有效激子利用以实现高性能OLETs和推进其相关功能器件应用开辟了新的途径。该工作以题为“Harvesting Triplet Excitons in High Mobility Emissive Organic Semiconductor for Efficiency Enhancement of Light-emitting Transistors”发表在《Adv. Mater.》上。
【材料的选择】

图1. 材料的特性
在本研究中，作者以2，6-二苯基蒽（DPA）为例，因为它具有优越的光电特性，同时具有高载流子迁移率和强荧光发射。为了更好地实现三重态激子在DPA中的应用，作者首先研究了它的激发态性质。根据基于含时密度泛函理论（TD-DFT）的理论计算，作者确定了DPA的单线态和三重态能级分别为3.12 eV和1.63 eV（图1b）。在铂（II）八乙基卟啉（PtOEP）的致敏作用下，在稀释溶液和薄膜中均有明显的上转换发射，这是DPA分子的TTA性质的直接证据。如图1d和1e所示，通过在532 nm处激发PtOEP的Q波段，在DPA分子观察到蓝色上转换发射。同时，DPA的敏化TTA上转换发射强度表现出具有代表性的非线性激发强度依赖性（图1f）。这些结果证实了作者通过TTA过程在高迁移率发射性有机半导体中捕获三重态激子的策略的潜力。
【主客体分子掺杂策略】

图2.主客体分子掺杂策略
为了进一步提高激子的利用效率，由于原始DPA薄膜的光致发光量子产率（PLQY）值相对较低，作者引入了一种主客体分子掺杂策略，将高发射客体分子掺杂到DPA中。如图2a所示，首先，载流子在高迁移率主体DPA中传输，然后在电子-空穴重组后在DPA中产生单线态和三重态。DPA的三重态激子可以通过TTA过程转化为单线态。单线态激子随后通过Förster共振能量转移(FRET)转移到高发射性客体分子，从而发射具有高PLQY的光。作者选择香豆素6（C6，图2a）作为DPA薄膜的客体分子，因为其高PLQY和与DPA合适的能级对齐。由于有效的能量转移过程，DPA的光致发光（PL）强度显著下降，同时出现了C6掺杂剂的发射（图2c）。C6掺杂DPA薄膜中来自C6的发射强度随着掺杂比从10%到2%的变化而增加（图2c和2d）。在C6掺杂浓度为2%时，宿主DPA的发射几乎无法识别，C6的绿色发射占优势。

图3. 载流子传输特性
作者为了研究非掺杂DPA薄膜和C6掺杂DPA薄膜的载流子传输特性，制备了基于这些薄膜的底栅顶接触OFETs。结果表明，不同沉积速率的非掺杂DPA薄膜的平均载流子迁移率非常相似，均在0.7 cm 2 V -1 s -1左右（图3c），说明沉积速率对电荷传输性能的影响可以忽略不计。在C6以2%、5%和7%的比例掺杂DPA薄膜后，掺杂DPA OFETs仍保持良好的载流子迁移率，分别为0.9、0.7和0.6 cm 2 V -1 s -1（图3f、3i和3l）。此外，基于20个OFET器件的2%、5%和7% C6掺杂DPA薄膜的平均载流子迁移率分别为0.64、0.58和0.37 cm 2 V -1 s -1（图3f、3i和3l），表现出优越的电荷传输性能，这对OLET器件的成功构建至关重要。
【OLET器件性能】

图4. OLET器件性能
为了进一步了解在高迁移率发射DPA系统中提高激子利用效率的OLET器件的效率，作者构建了基于不同掺杂浓度C6掺杂DPA薄膜的OLET器件系列，并进行了系统研究。基于非掺杂DPA和C6掺杂DPA薄膜的OLET器件的典型转移和输出曲线如图4c-h所示。令人兴奋的是，在C6掺杂的DPA薄膜中，进一步提高了DPA的本征三重态转换效率。与未掺杂的DPA OLET的EQE为0.16%相比，在5% C6掺杂的DPA OLET中，最高的EQE增加到1.12%（图4i）。DPA和C6之间的有效能量转移促进了OLET中单线态激子的辐射衰变，抑制了电荷激子湮灭和三重态-单线态湮灭。作者认为，通过优化器件结构，减少主要由波导模式和硅衬底吸收引起的光能损耗，可以进一步提高器件的EQE值。

图5. 颜色可调EL特性
分子掺杂策略也为从OLETs中实现可控的颜色可调EL提供了一种有效的途径。EL结果（图5a和5b）表明，基于C6掺杂DPA薄膜的OLET器件具有颜色可调的EL特性，发射颜色为蓝色、绿色和黄色。更令人兴奋的是，在2% C6掺杂的DPA OLET中，CIE颜色坐标为（0.31,0.35）（图5a，5b和5c），与标准白色的CIE颜色坐标（0.33,0.33）非常接近。这种白色发射是DPA的蓝色发射和C6的绿色发射的组合。这些颜色可调的有机电致发光器件，特别是白光发射，显示了有机电致发光器件在集成全色光电子器件和电路中的巨大应用前景。
总结，本文提出的策略成功地实现了高迁移率发射半导体中三重态激子的利用效率的提高，从而实现了高性能OLETs的构建。这一概念可以扩展到其他先进的高迁移率发射型有机半导体，从而促进了高性能有机半导体的发展。
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来源：http://www.yidianzixun.com/article/0lkCarjH
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