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华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室 工作简报 2018年第6期 (总第50期)

时间:2018-10-15 15:03      发布人:何秋云      阅读:42

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都灵理工大学校长Guido Saracco一行来实验室参观

9月28日上午,意大利都灵理工大学校长Guido Saracco(奎多·萨拉科),对欧关系副校长Michele Bonino(迈克尔·伯尼努),对华关系副校长Roberto Zanino(罗伯特·扎尼努)等一行6人来访华南理工大学,并参观国重实验室,实验室陈炤副主任、叶轩立教授接待来宾。

华南理工大学与都灵理工大学已有近10年的合作史,是彼此重要的合作伙伴。双方的合作在学生联合培养、科研合作等方面取得了突出的成绩,还成立了“华南都灵联合实验室”,并在实验室框架下开展一系列学生和科研活动。近期,两校还计划在深厚合作的基础上联合申报教育部中外合作办学硕士项目。

 

彭俊彪教授获第十四届广东省丁颖科技奖

 

9月28日,广东省科学技术协会第九次代表大会在广州召开,大会表彰了第十四届广东省丁颖科技奖获奖者。根据《广东省丁颖科技奖评选办法》及《广东省丁颖科技奖评选办法实施细则》,经第十二届广东省丁颖科技奖专家评审委员会评审和评审工作委员会审定,广东省科学技术协会在全省优秀中青年科技工作者中评选出杰出代表20名,授予第十四届广东省丁颖科技奖,华南理工大学材料科学与工程学院院长、实验室副主任彭俊彪教授获此殊荣。

据悉,广东省丁颖科技奖是1989年经省政府批准并以著名科学家丁颖院士的名义设立的科技奖项。宗旨是为了继承和发扬我国著名科学家丁颖献身科学的精神和优良品质,激励我省中青年科技工作者投身科教兴国伟大事业,表彰奖励为我省经济建设、社会发展和科技进步做出突出贡献的中青年人才,促进优秀中青年学术和技术带头人的成长,为实现我省“四个支持,三个支撑,两个走在前列”作出新的积极贡献。该奖项每两年评选一次,今年全省推荐有效候选人96名。

附获奖者彭俊彪教授简介: 

彭俊彪,华南理工大学材料科学与工程学院院长、教授。从事有机高分子光电材料与器件方面的研究工作,在氧化物TFT、印刷OLED显示等方面取得了突出研究成果,这些成果从理论和方法上对新型显示技术产生了一定的影响,对推动高性能氧化物TFT材料与技术的发展具有重要意义。获国家自然科学二等奖1项(排名第三),广东省自然科学一等奖1项(排名第三),广东省科技发明一等奖1项(排名第一);入选广东省珠江学者特聘教授,国家“973”项目首席科学家;发表SCI收录论文300余篇;发表论著已被他人引用5000余次;申请专利190余件,其中授权77件。

实验室兰林锋教授受聘为青年珠江学者

近日,广东省教育厅公布了2018年度广东省高等学校珠江学者岗位计划设岗学科和聘任人选名单。实验室兰林锋入选青年珠江学者。

兰林锋,材料科学与工程学院研究员、博士生导师,青年珠江学者,广东省杰出青年基金获得者,教育部首批全国高校“黄大年式”教师团队成员,国际信息显示协会北京分会技术委员会委员,美国化学会旗下期刊ACS Appl. Mater. & Interfaces客座编辑。发明了稀土掺杂的氧化物半导体(Ln-IZO),相关成果及其应用探索获得广东省技术发明一等奖。发表SCI论文100余篇,被引用1800多次。编写论著《印刷显示材料与技术》(科学出版社),获得国家出版基金的资助。申请国家发明专利50多件,已授权23件。主持国家级、省部级等科研项目16项,累计经费1000多万元。

曹院士新生讲座

9月27日,曹院士在国重实验室开展了光电所实验室新生讲座,9月份入学新生及部分老师参加了本次讲座。实验室主任马於光代表实验室欢迎新同学加入发光材料与器件国家重点实验室的大家庭。

曹院士介绍了光电所的光辉历程,并重点介绍了有机光电的发展史及期间出现的重大科学发现,同时与同学们分享了怎样做好实验做好研究的宝贵经验。

曹院士的精彩讲座让参与此次讲座的新生受益良多,收获颇丰。

中国兵器科学研究院沙天兵院长一行来实验室调研

9月29日上午,中国兵器科学研究院沙天兵院长一行来国重实验室参观调研,材料学院院长彭俊彪、实验室副主任陈炤接待来宾并于302会议室举行座谈会。吴业春校长出席座谈会。

首先,彭俊彪院长详细介绍了学院、实验室的基本情况,然后与沙院长一行探讨实验室与兵器研究院的合作可能,沙院长认为实验室研究的一系列材料十分契合兵器研究院的需求,本实验室与兵器研究院拥有广泛的合作空间,并提出了今后开展合作的具体措施。

沙天兵院长一行还参观了实验室的成果展示厅。

发光材料与器件国家重点实验室青年骨干人才简介:董学会研究员

董学会博士,研究员,博士生导师,国家第十三批『千人计划』青年项目入选者。2008年毕业于中国科学技术大学,获理学学士学位;2013年于美国阿克伦大学(University of Akron)获博士学位;2013年至2016年在美国麻省理工学院从事博士后研究工作。2017年1月加入华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院。主要研究方向为软物质科学、超分子自组装、高分子化学与物理等,共发表学术论文近40篇,被引用1000余次,并申请美国专利两项。回国工作后主持国家自然科学基金面上项目一项、中央高校基本科研业务费杰青项目一项。

董学会研究员一直致力于运用和发展模块化的高效合成方法来合成具有精确化学结构的巨型分子,并通过选择性地调控分子间相互作用来实现在介观尺度上的精确组装。主要学术成绩包括:(1)综合阴离子聚合、可控自由基聚合、点击化学和其他高效有机反应,实现了巨型分子的模块化精确合成((Polym. Chem. 2012, 3, 124-134; Polym. Chem. 2014, 5, 3588-3597; Soft Matter 2014, 10, 3200-3208);(2)系统地研究了分子形状对高分子物理行为的影响,通过分子设计实现了多个传统聚合物中不常见的新的组装行为(J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2356-2360;J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1392-1395;Macromolecules 2015, 48, 7172-7179; ACS Nano 2016, 10, 919-929;Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2459-2463);(3)将功能蛋白质作为新的结构和功能基元引入巨型分子的概念中,扩展了巨型分子的应用范围 (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1273-1277)。

 发光材料与器件国家重点实验室主要研究进展介绍:

华南理工大学苏仕健教授课题组综述:蓝光热活化延迟荧光(TADF)有机发光二极管(OLED)研究进展

有机发光二极管(OLED)技术相比于传统的LED技术,由于在实现大面积高质量显示与照明、超高分辨率、超快响应速度和柔性电子学应用等等方面表现出来的显著优势,吸引了全球研究组和工业界的关注。基于器件发光效率、器件驱动稳定性、发光色纯度和器件结构工艺简化等方方面面的考虑,而今商业化的OLED技术应用当中,使用蓝光传统荧光材料和绿、黄、橙、红等含有贵重金属原子的磷光材料的组合已经取得了一定程度的成功。对于传统荧光材料而言,受限于自旋统计规律,在电驱动下器件只能利用25%的单重态(S1)激子发光。即便考虑器件具有接近30%的光取出效率,其外量子效率(EQE)最高值也只能达到约7.5%。(图1(a))为了实现100%的器件激子利用率,人们利用含有贵重金属原子的磷光材料,较好地解决了这个问题。由于“重原子效应”的存在,单三重态之间的旋轨耦合效应(SOC)大幅增强,从而使得原本跃迁禁阻的三重态(T1)磷光辐射成为可能。但由于材料中含有贵重金属原子,材料成本高企,不利于实现更低成本的OLED应用。(图1(b))鉴于此,使用具有热活化延迟荧光(TADF)特性的纯有机发光材料是一个潜在的既实现100%激子利用率兼具低成本优势的解决方案。TADF材料由于具有极小的单三重态分裂能(ΔEST),其T1激子可以在热能驱动下反向系间窜越(RISC)来到S1,进而发生荧光辐射过程,实现全激子。(图1(c))目前,TADF-OLED已经能够实现和基于磷光材料的OLED相似的电致发光性能,成为目前实现低成本高效OLED技术应用的热门候选。

另外,在OLED材料的研发领域,最重要也最困难的课题便是高效、稳定的纯蓝光材料的研发。蓝光材料综合性能的改善可以显著提升显示或者照明器件的工作稳定性、色纯度,同时降低能耗,节约成本等。为了研发高效、稳定的纯蓝TADF材料,目前仍有许多关键问题亟待解决:比如发光效率的提升、材料激发态寿命的缩短、纯蓝光色的实现、材料稳定性的改善等。为了更好地理解这些问题,推进蓝光TADF材料在OLED器件中的实际应用进程,华南理工大学苏仕健教授及其博士研究生蔡欣佚等通过分析问题的来源、回顾相关材料研发的历史、列举最新报道的解决问题的成功案例和对该类问题的讨论和汇总,以“实现稳定、高效纯蓝TADF材料及其OLED应用”为主题进行文献综述。

 1.蓝光TADF材料分子设计策略、挑战与案例分析

首先,在高效蓝光TADF材料设计中,难点在于材料要有较快的荧光辐射速率,同时保持小的ΔEST。对于天蓝光(发光峰值约480 nm左右)TADF材料,受分子短共轭片段控制的局域三线态能级(3LE)可以较为容易地保持在电荷转移三重态能级(3CT)附近或者之上,容易实现非常小的ΔEST。但对于设计纯蓝和深蓝光发射的TADF材料而言(发光峰值约460 nm或者更短的波长),实现高效TADF却困难得多。内在的原因是 3LE能级主要被最短分子共轭片段所决定,其能量值难于进一步提升,而实现纯蓝发光却需要提升1CT态能级到更高能量的位置。此时,ΔEST不可避免地被拉大,导致TADF效率的降低。(图2(a-b))

为了实现高效纯蓝TADF发光,解决方法就是在该矛盾中寻求最佳平衡点:在具有高能1CT能级的同时,保持高的3LE去接近3CT能级,从而实现高效TADF。在该部分中,作者详细列举了为了实现该平衡所报道的诸多分子设计和能级调控策略进展,也借助蓝光TADF的设计策略,详细讨论了TADF材料设计中存在的基本矛盾。

在该部分最后,作者也详细讨论了仍然存在的问题。在实现具有深蓝TADF发射的材料体系中,由于上述的平衡的实现依旧极其困难,蓝光材料仍面临具有较长的TADF激发态寿命、严重的双分子湮灭过程、宽带隙周边材料的选取困难等问题,持续的努力仍然非常需要。最新的研究还发现,根据角动量守恒定则,具有相同轨道组成的1CT和3CT能级之间的RISC过程通常被认为是禁阻的,具有非常小的旋轨耦合(SOC)因子。而具有不同轨道组成的3LE和1CT态之间的RISC是高效的。基于该考虑,设计具有几乎简并的1CT,3CT和3LE能级的纯蓝光TADF材料可能是实现具有短激发态寿命高效TADF蓝光发射的潜在有效办法,相关的研究结论仍旧需要大量的实验案例来支撑。(图2(c))

2.具有高水平分子跃迁偶极取向度的超高效蓝光TADF材料研发进展

除了高效纯蓝TADF的实现,设计能实现具有超高分子跃迁偶极水平取向有机薄膜的TADF材料也是研究的热点。受制于有机功能层对于出光光线的反射与折射、基板的反射与折射、金属电极的表面等离子共振(SPP)效应与吸收等等因素,平面型底发射OLED器件的光取出效率通常仅有约20%-30%,使得相应OLED的最大EQE被限制在20%-30%左右。幸运的是,早期的研究中已经发现,使用具有水平跃迁偶极矩排列的分子有机发光层可以大幅增加器件的光取出效率。TADF材料通过分子结构设计来实现在薄膜条件下具有高水平跃迁偶极矩排列的分子取向方式,可以大幅提升TADF-OLED的器件性能。

为了实现该目的,设计具有刚性结构的棒型、稠环型、链状寡聚物或者长链聚合物的给受体型TADF材料可以较好地解决该问题。该类材料在真空薄膜沉积过程中,由于分子间的相互作用,能够起到自取向或诱导取向的效果,实现有机发光层高的水平跃迁偶极矩取向,从而提升TADF-OLED的器件光取出效率。(图4(a))在该部分,作者呈现了最新报道的能够实现高光取出因子OLED的蓝光TADF材料体系,基于该类材料的器件已经实现了超过35%的EQE。在不改变目前的传输材料体系(有机层薄膜的折射因子约为1.7)的前提下,已经非常迫近于约40%的效率极限值。(图4(b-d))目前,基于该策略报道的蓝光TADF材料仍然较少,报道的具有纯蓝光色的高取向TADF材料更是稀缺,进一步的研究仍需要人们付出巨大的努力,从而实现具有纯蓝光色的超高效TADF-OLED。

3.高效非掺杂型蓝光TADF材料研发进展

在TADF材料的研发案例中,大部分TADF材料都需要被掺杂到宽带隙的主体材料中,从而避免因浓度湮灭效应而导致的激子损失。然而,由于纯蓝光TADF材料本身具有宽带隙,为了实现良好的三线态激子限域,必须使用具有超宽带隙的主体材料,这为其实际应用带来了巨大的困难。宽带隙主体材料需要复杂的结构设计,同时由于极短分子内共轭的存在,其本征载流子迁移率通常较低,不利于低功耗OLED器件的实现。该类主体材料还通常包含有不稳定的短共轭官能团,同样不利于稳定型OLED的实现。

鉴于上面存在的问题,一类特殊的在非掺杂条件下具有极小的浓度湮灭效应的材料体系被开发出来。基于该类蓝光高效材料,可以实现不需要使用主体材料的高效OLED器件,具有工艺(不需要共蒸技术)和结构简单的优点。同时基于该类材料,由于整个激子复合区都可以完成发光,相比于掺杂型发光层,在相同的亮度条件下分子处于激发态的概率显著降低。此时,双分子相互作用导致的上转换和浓度湮灭效应被大幅抑制,有利于实现更低的器件效率滚降和更长的器件驱动寿命。在该部分中,作者呈现了目前蓝光高效非掺杂型TADF材料的研究进展,基于该类材料目前已经实现了接近20%的器件EQE表现,对于器件的驱动稳定性也有显著提高。然而,该类蓝光TADF材料目前仍然很少被报道,难度更大的地方更在于实现具有纯蓝光色(CIEy<0.20)的高效非掺杂型TADF材料。相关的研究仍然需要继续推进,为简化OLED器件结构和工艺,提升OLED驱动稳定性做出贡献。

4.蓝光TADF材料和其器件稳定性研发进展

在TADF蓝光的研究工作中,核心的、甚至可以说比性能表现更加重要的性能指标:器件稳定性,越来越引起了人们的关注。与磷光体系材料相似,由于同样具有微秒级别的分子激发态寿命,在高激子浓度的条件下,“热”激子的生成会严重破坏材料的化学键,从而导致器件的衰变过程。对于蓝光TADF材料体系而言,不仅要实现与磷光材料相似的性能水平,更要能体现出相比于磷光材料更好的稳定性,才有可能有潜力取代现在已经广泛使用的蓝光传统荧光材料。

目前,蓝光TADF-OLED的稳定性提升仍然需要巨大的努力。对于实现稳定蓝光TADF-OLED而言,不仅仅需要研发稳定的蓝光TADF客体,其主体和周边匹配的传输材料的稳定性同样需要一起考虑。此外,使用TADF材料作为主体,利用能量转移的方式实现敏化传统蓝光荧光客体分子同样是降低“热”激子生成概率的有效方法。在本部分中,作者综述了稳定的TADF蓝光发光材料、主体材料、传输材料和部分使用TADF主体敏化传统荧光客体材料的案例,来阐述蓝光TADF-OLED器件驱动稳定性的研发进展。目前,基于TADF蓝光材料的稳定OLED器件已有部分报道。但目前的结果当中,大部分的TADF器件均发射天蓝光,这与真正显示和照明应用需求相关的纯蓝光色坐标仍然具有巨大的差距。进一步推进纯蓝光TADF-OLED的器件驱动稳定性是目前整个TADF材料研发领域的核心问题。

总而言之,对于蓝光TADF材料的研发,仍有数个关键问题亟待解决:

  1. 具有窄半峰宽纯蓝光发射(CIEx + CIEy < 0.30)材料的研发仍旧是难点,最终目标是满足显示应用所需要的严苛的色纯度要求(美国国家电视委员会规定的显示用标准蓝光色坐标为 [0.14, 0.08]);
  2. 通过诸如高水平分子跃迁偶极矩取向设计、近简并电荷转移态和局域态三重态能级设计等手段,实现高发光效率的蓝光TADF材料,并且实现具有高光取出因子的超高效率TADF-OLED;
  3. 在保持纯蓝光TADF发光的同时,进一步缩短分子的激发态寿命,从而降低器件工作过程中由于能量转移上转换和激发态再吸收导致的“热”激子的生成概率,改善器件效率滚降的同时提升器件的驱动稳定性;
  4. 通过使用高效非掺杂型TADF材料,或者设计稳定的发光、主体、周围传输材料,以及使用特殊的能量转移策略,稳定化学键、降低和转移“热”激子上的能量,从而进一步延长蓝光TADF-OLED的驱动寿命乃是重中之重。

为了真正推进蓝光TADF材料的应用,仍旧需要全球科研界与工业界的紧密合作,相信在不久的将来,可以看到纯有机体系蓝光OLED真正应用到社会生活的方方面面。相关成果以《Marching Toward Highly Efficient, Pure-Blue, and Stable Thermally Activated Delayed Fluorescent Organic Light-Emitting Diodes》为题,发表在Adv. Funct. Mater. 2018, 1802558. https://doi.org/10.1002/adfm.201802558上,作者为Xinyi Cai(蔡欣佚)和 Shi-Jian Su(苏仕健教授)*。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金委员会和广东省科学技术厅的资助。

9月份境内外学者来国重室访问交流情况