mile米乐官方网站揭开下一代有机EL发光材料发光机理之谜！

-旨在提高有机EL器件的效率-

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利用先进的光谱技术阐明下一代有机EL材料（热激活延迟荧光分子）的发射机制
通过关注分子的激发态、类型和能量发现了具有高发光效率的分子结构
为下一代有机EL材料提供新的设计指南，有望实现低成本、高效率的有机EL器件

摘要

米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）分析测量标准研究部[研究部主任野中英彦]纳米光谱研究小组研究员细贝拓哉、首席研究员松崎博之、国立大学法人九州大学[校长久保千春]（以下简称“九州大学”）先进有机光电子学研究中心副教授中野谷初副教授、足立千早副教授教授和同事们正在共同努力开发一种材料，该材料作为下一代有机电致发光（有机EL）器件的发光材料而受到关注。热激活延迟荧光 (TADF)的分子的发光机制（TADF 分子）。

　有机EL利用了有机分子在电流使它们进入高能激发态并返回到低能基态时发光的现象。 TADF 是由有机 EL 分子在室温下借助热能发射的荧光由于不需要当前有机EL所必需的稀有金属，因此被认为是降低成本和提高效率的王牌。 TADF发射涉及分子的两个激发态，以及这些状态之间的能量差ΔE_ST越接近室温的热能，发光效率越高。然而，据报道，即使是在室温热能下难以使用 TADF 发光的分子也表现出接近 100% 的高发光效率，并且人们正在寻求发光机制的详细阐明。

　这次，我们充分利用产业技术研究院开发的先进分光技术，对九州大学开发的各种TADF分子的发光过程进行了研究，阐明了TADF发光机制的细节，并确定了显着提高发光效率的分子结构特征。此次阐明的机制有望为下一代有机EL材料的新设计指南以及使用下一代材料的低成本、高效率有机EL显示器和有机EL照明的普及做出贡献。详细结果可参见2017年5月10日（美国东部夏令时间），《美国电子科学杂志》科学进步

之前认为的TADF发光机制的示意图（左）和新阐明的机制（右）

研究的社会背景

　近年来，有机EL作为一种用于显示和照明的新型平面光源，具有轻质、柔性、高亮度、高清晰度、低功耗等特点，受到人们的关注。有机EL利用电流产生的有机分子的激发态发光，产生的激发态发出荧光单态和磷光三重态10096_10301 显色性受到限制。因此，需要开发不需要稀有金属且不受分子设计限制的高效、低成本的下一代有机EL材料。

研究历史

　九州大学设计并开发了TADF分子，通过利用热量将三重态转变回单重态来发射荧光，并于2012年开发出了第一个TADF分子，它是一种仅由常见元素碳、氮和氢组成的有机化合物，具有接近100%的发光效率。然而，当时能够实现高发光效率的是绿色荧光TADF分子，其发光机制的细节尚不清楚。

同时，产业技术研究院以阐明太阳能电池、光催化剂等中使用的电子材料的光学功能机理为目标，能够在从100飞秒（1/10万亿）秒到毫（1/1000）秒的宽广时间范围、从紫外光到可见光、红外光的宽波长范围内测量材料在激发态下的光吸收。泵浦探针瞬态吸收光谱的开发

　这次，两位研究人员利用泵浦探针瞬态吸收光谱对九州大学设计和开发的有机分子进行研究，以详细阐明其发光机制。特别是，我们关注每个分子的单线态和三线态的类型（激发态）和能量，这在以前的研究中被忽视了。

研究内容

　当我们调查这次使用的八种分子的有机EL发光量时（图1），我们发现（1）4CzIPN和（2）2CzPN，如九州大学2012年报道的，ΔE_ST(1)小，室温下热能左右，发光效率高，ΔE_ST大（2）时，发光效率极低，即ΔE_ST之间发现了相关性以及TADF的发光效率。然而，对于称为 CzBN 的六种分子团（（3）至（8）），ΔE_ST显示了一个如此大的值（大约是室温下热能的 10 倍），以至于很难指示 TADF，(3)段落-3CzBN、(4)4CzBN和(5)5CzBN发射TADF。根据这些结果，我们根据是否存在 TADF 对分子进行了分类，发现所有强烈发射 TADF 的分子（图 1 顶部）对身体，表明该分子结构参与了TADF的发光。

图1 本研究中研究的八种有机分子的化学结构式

　用超短脉冲激光（激发光）照射八种分子后，我们使用瞬态吸收光谱观察了它们状态的时间变化。结果发现，仅在强烈发射TADF的分子群中产生特征激发态（（1）、（3）、（4）、（5））（图2）。换句话说，在强烈发射TADF（para-body）的分子群中，产生了带正电的空穴可以在分子内自由移动的“电荷离域激发种”，而在不发射TADF或弱发射的分子群中，仅观察到空穴不能自由移动的“电荷局域激发种”和“中性激发种”。换句话说，这表明电荷离域激发物种参与了 TADF 的发射。这种电荷离域激发态物质首先是在红外区域使用瞬态吸收光谱技术观察到的。

图2 通过瞬态吸收光谱观察到的分子(1)至(8)的激发态

进一步考虑这次获得的瞬态吸收光谱表明，当三重态的一种中性激发物种在能量上接近单重态的激发物种时，就会发生从三重态到单重态的逆转换（图3）。这符合量子力学定律，即单重态和三重态之间的转换和逆转换只能发生在具有不同电荷分布态的激发态物质之间。换句话说，要判断室温下是否发生反转，需要重点关注单线态和三线态下不同电荷分布的激发物种之间的能量差异，以及常规的ΔE_ST的值。此外，为了使单重态的能量更接近三重态中性激发物种的能量，在分子中引入对体结构以形成电荷离域激发物种是有效的，并且在设计TADF分子时，引入对体结构可以实现高效的TADF发光。基于此次获得的知识，相信将有可能寻找并创造出更高性能的TADF分子，在多种发光颜色下结合高发光效率和材料耐久性，从而显着降低有机EL器件的成本，并实现有机半导体激光器等下一代光学器件。

图3引入本次提出的para-body结构的TADF发光机制示意图

ΔE 用于从三重态到单重态的逆转换_ST。通过创建对体结构，单线态从电荷局域激发态转变为能量较低的电荷离域激发态，这减少了逆转换所需的能量差，使TADF更容易发光。

未来计划

　在瞬态吸收光谱设备不断进步的同时，我们将更详细地观察TADF分子的激发态转换过程，并为TADF分子制定系统的设计指南，以实现高效的激发态转换。此外，这些发现将反馈到TADF分子的设计中，以支持开发兼具高发光效率和耐用性的TADF材料。

术语解释

◆热激活延迟荧光（TADF）、单线态、三线态、荧光、磷光

单线态和三线态是有机分子在光或电流激发时呈现的量子态。分子具有不同的电子自旋方向组合；在单重态中，两个自旋方向相反，在三重态中，它们沿相同方向排列。当有机EL材料被电流激发时，25%的材料变成单线态，75%变成三线态。通常，三重态的能量低于单重态的能量。单重态或三重态回到基态时发出的光称为荧光或磷光。

热激活延迟荧光（TADF）是三重态分子在室温下通过热能转化为单重态后发出的“延迟”荧光。在TADF分子中，所有激发态都有助于发光，因此它是实现高发光效率的下一代发光机制。为了在室温下发生反转，单重态和三重态之间的能量差ΔE_ST关于室温的热能。

利用单线态转变为低能三线态后发出的磷光的有机EL也可以实现高发光效率，但磷光材料使用铱和铂等稀有金属，这在成本和资源限制方面带来了问题。