具有多种卡宾配体的铱(III)金属配合物及蓝色OLED器件制备
材料
作者：X-MOL
2025-02-14
注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
有机发光半导体（OLED）在各种显示器件中应用广泛，其凭借优异的性能，市场份额逐年提升，潜力巨大。传统的OLED使用有机荧光材料制作发光层，然而，基于电致发光本身的特性，荧光材料的内量子效率最大只能达到25%。因此，理论上能达到100%量子效率的磷光材料以及热激发延迟荧光材料备受关注。其中，热激发延迟荧光具有比较长的三线态寿命，导致其在高电流密度下效率滚降严重，稳定性较差。而磷光金属配合物凭借其优良的稳定性和光物理性质，已经在较低能量的红色和绿色OLED器件中崭露头角，但蓝光材料却因为更高的能量，稳定性较差，没能达到工业标准。因此，开发稳定且高效的蓝光材料一直是学术界和工业界的重要研究课题。对此，巴斯夫公司 (BASF)，他们率先提出使用铱卡宾配合物作为蓝色磷光材料。之后，BASF将所有相关知识产权资产转移给环宇显示技术公司 (UDC)，以提升磷光OLED器件的核心竞争能力。但在并购完成后，相关的开发却未能持续进行。在2024年，为评估蓝色发光体，Zysman-Colman和Samuel课题组在国际知名期刊Nature 上提出了发光体的优点指标（FOM）概念（Nature, 2024, 627, 747），即发光体在1000尼特亮度下的外量子效率（EQE1000）以及90%最大外量子效率时的电流密度（J90），并得到了广泛关注。
为了开发出有较高EQE和较高FOM的蓝色磷光发光体，香港城市大学季昀、刘佳聪课题组与深圳大学杨楚罗课题组开展合作，并联合报道了一系列基于卡宾配体的蓝光铱配合物，并将其应用于蓝色磷光和超磷光OLED器件制备。如图1所示，本项研究中，他们使用了两类特殊的卡宾前驱配体LAH2+和LBH2+（或LCH2+）来制备不对称的铱配合物。其中LAH2+带有吸电子的氰基，这使得铱配合物的发光可以被调控至蓝色。另外，LAH2+中的均三甲基官能团以及LBH2+（或LCH2+）中对称的芳香结构，都可以限制配体的配位位点，减少异构体的产生。有一个LA配体时，可以得到m, f-ct14和m, f-ct15，并且面式和经式结构在高温时可以相互转换，有两个LA配体时，只有一个配合物m-ct16生成（图1）。这些配合物在甲苯溶液的发射均为蓝色，波长分别为434 nm（f-ct14）、434 nm（f-ct15）、467 nm（m-ct14）、472 nm（m-ct15）和459 nm（m-ct16）。此外，它们都均有较高的量子效率（ΦPL ≥ 78%）和较短的辐射寿命（τrad ≤ 1.05 µs）。
图1. 不同配体比例下得到的不对称铱(III)金属配合物
得益于其优异的光致发光特性，f-ct14、f-ct15和m-ct16被选择作为掺杂发射体和敏化剂，用于制造真空沉积OLED器件（图2）。基于f-ct14和f-ct15的OLED器件电致发光均为蓝色，其CIEx,y色坐标分别为（0.151，0.088）和（0.150，0.082），最大外量子效率分别为25.9%和27.9%。而基于m-ct16的OLED器件的发光为天蓝色，其CIEx,y色坐标为（0.182，0.267），最大外量子效率达到了26.8%。
图2. 基于f-ct14、f-ct15和m-ct16的磷光OLED器件架构与性能。
此外，以这些铱配合物为敏化剂并且以ν-DABNA为发射体可以制备出性能优异的超磷光OLED器件，它们具有非常窄的半峰宽（FWHM=19 nm）和较高的外量子效率（EQE ≥ 32.7%）。其中，基于m-ct16的超磷光OLED器件表现最为卓越，展现出了较低的工作电压，其在1000尼特亮度下的工作电压为4.4 V，并且5000尼特亮度下工作电压仅为6.0 V。此外，其效率滚降也非常优异，在10000尼特亮度下仍能保持27.1%的EQE。更重要的是，它展现出了非常高的FOM，EQE1000达到了32.1 (28.4) %，J90达到了15.0 (31.0) mA•cm‒2（图3），显现出蓝光OLED设备制造中的重要进展。
图3. 近年来蓝色OLED器件的FOM。
综上所述，这项研究不仅打破了传统卡宾配体设计的桎梏，引入了均三甲基苯基官能团调控分子构型，并且展示了优异的光物理性能和OLED器件的应用，为未来高效蓝光OLED发射器的开发提供了可行的技术路线。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是香港城市大学博士研究生吴奕昕、程琳以及深圳大学博士研究生黄曼莉。
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Iridium(III) Blue Phosphors with Heteroleptic Carbene Cyclometalates: Isomerization, Emission Tuning, and OLED Fabrications
Yixin Wu,a,ⴕ Manli Huang,b,ⴕ Lin Cheng,a,ⴕ Junyao Zhang,a Yi Pan,a Shek-Man Yiu,a Kai Chung Lau,a,* Jie Yan,a,* Chuluo Yang,b,* Yun Chi,a,*
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, DOI: 10.1002/anie.202421664
季昀教授简介
季昀，香港城市大学讲座教授。1978年于台湾国立清华大学取得学士学位。1986年于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校取得博士学位，并在麻省理工担任博士后一年。1987年于台湾国立清华大学就职副教授，并于1991年晋升教授。2018年加入香港城市大学，并任职讲座教授。季教授的研究领域是面向有机和金属有机材料的光物理和光电性质，及其在OLED器件中的应用。具体集中在基于卡宾配体的铱(III)金属配合物在蓝色磷光和超磷光OLED器件中的应用，以及铂(II)金属配合物在近红外OLED器件中的应用。季昀教授共发表了超过415篇SCI论文，总H指数超过84，并在中国和美国拥有超过50项专利。他的研究成果在有机光电材料和OLEDs领域取得了显著进展，为这些领域的发展提供了重要的技术支持。
https://www.x-mol.com/university/faculty/188087
科研思路分析
Q: 这项研究最初的动机是什么？您是如何想到这个研究方向的？
A: 我们的研究目标是开发用于OLED设备的新型高效蓝光磷光材料。众所周知，铱(III)金属配合物具有优异的发光性能，但传统的有机金属配合物稳定性较差。因此，我们引入更加稳定的卡宾配体，并通过修饰吸电子官能团达到蓝光发射，并且引入大位阻的保护基团，提高分子层面的稳定性。传统的研究中在引入大位阻的均三甲基苯基官能团时，由于位阻过大，并不能合成出想要的铱(III)金属配合物。而在这项研究中，我们使用了两种不同的配体，并成功合成出具有均三甲基苯基官能团保护的铱(III)金属配合物，并将其应用于蓝色OLED器件的制备。
Q: 在研究过程中遇到过哪些挑战？
A: 最大的挑战在于如何稳定控制不对称的铱(III)金属配合物的合成，以及经式和面式异构体之间的转换，这需要对高温反应条件进行探索。此外，由于研究涉及到多学科的交叉，我们的团队在表征技术上也面临了一些困难。
Q: 该研究成果可能有哪些重要的应用？
A: 这些有机铱(III)金属磷光材料在蓝色OLED器件的应用中展示了显著的性能提升和非常低的效率滚降。因此，这项研究成果有望为下一代高效蓝光OLED发射器的设计和制备提供重要的技术支持。这对于显示器、监视器和照明设备等领域的企业和研究机构将具重要的应用价值。