AM：微腔调控策略增强TADF型单层OLED的运行稳定性

导读

近日，德国马克斯普朗克研究所Yungui Li教授在制备高运行稳定性的OLED方面取得新进展，相关研究成果以“Enhanced operational stability by cavity control of single-layer organic light-emitting diodes based on thermally activated delayed fluorescence”为题发表在Advanced Materials上。该文章通过调控光学微腔构筑了高效、长寿命的TADF OLEDs。器件结构在初始亮度为1000 cd/m2时，EQEmax达到16%，寿命时间（LTo）为452 h，稳定寿命时间（LTso）达到3693 h，相较于一阶对照样品增加了一倍。他们进一步证明了在有机发光二极管寿命与光强之间广泛使用的经验关系源自三重态极化子湮灭，由此推断在100 cd/m²的光强下，外推得到的LTso接近90000小时，接近实际背光应用的需求。文章链接DOI: 10.1002/adma.202304728

正文

在制备OLED器件时，通常需要设计多层结构去平衡电荷传输，即将电荷和激子限制在发光层内，并调控发光层在光学微腔中的最佳位置。目前报道的高效单色TADF OLEDs的最大外量子效率（EQE）接近40%。接下来的研究难点在于如何制备高效、运行寿命长的TADF OLEDs，并将其应用于实际生产生活当中。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

本文中，作者调控微腔长度制备了兼具高器件效率和长运行寿命的OLED。通过增加发射层厚度以延长光学微腔，从而降低局部载流子和激子密度。基于TADF材料CzDBA, 作者还证明了双层OLED器件在1000 cd m-2亮度时的LT90寿命为452 h，EQE与单层器件所差无几。此外，作者进一步揭示了TADF OLED的初始亮度与工作寿命之间关系源于三重极化子湮灭（TPA），由此说明调控激子和极化子密度对于制备长寿命TADF OLED至关重要。此外，在初始亮度为100 cd m-2时，该器件的LT50寿命约为90000小时，接近商业应用的实际需求。

Figure1.器件的设计原则

（图片来源：Adv. Mater.）

器件结构的设计原则如Figure 1a所示。纯CzDBA材料的发射层位于顶部阴极和底部阳极之间。电荷传输完全由发射层决定，随着发射层厚度的改变，微腔的谐振状态也随之发生变化。复合区域是指OLED中电子和空穴相遇并发生复合的区域，这个过程会产生光子并发光。在单层OLED结构中，电子和空穴的复合发生在发光层。复合区域的大小和分布对OLED的发光效率有着重要影响。实验中，作者选择300 nm的CzDBA的纯膜作为发光层（Figure 1b）。由于CzDBA材料中的空穴迁移率略低于电子迁移率，因此复合曲线的峰值更靠近阳极。随着驱动电压的增加，复合曲线逐渐变宽（Figure 1b）。如Figure 2b所示，由于双分子复合发生在整个发射层内，因而随着发射层厚度的增加，复合区域也逐渐变宽。

Figure2.光学谐振腔对光外耦合耦合效率的影响

（图片来源：Adv. Mater.）

接下来，作者探究了具有不同光学微腔长度和宽复合区域的CzDBA OLEDs的器件性能。作者首先模拟了与位置相关的外耦合效率ηA（Figure 2a）。在一阶微腔中最优的ηA约为27%，进一步增加腔长将降低输出效率。为了进一步计算单层器件的外耦合效率，有必要对位置相关的外耦合效率进行加权。如Figure 2b所示，复合区域与电压和厚度相关。基于公式以及与位置相关的外耦合效率数据，可以得到ηA和ηSA对外部驱动电压的依赖关系（Figure 2c）。此外，从电压依赖性曲线中可以得到具有不同光学微腔器件的最大外耦合效率（Figure 2d）。从中可以看出，当腔长增加时，总外耦合效率表现出厚度依赖关系。对于CzDBA OLEDs来讲，一阶和二阶腔器件的最大ηA分别为~25%和~18%。而对于发射层厚~200 nm的器件来讲，ηA仅为~12%。

Figure3.器件性能

（图片来源：Adv. Mater.）

Figure 3展示了不同腔长器件的电流密度-发光电压（JVL）、亮度-EQE和电致发光（EL）性能曲线。开启电压在低至2.1 V时，亮度也能够达到1cd m-2。在上百个cd m-2时，EQE逐渐增加到最大值后开始效率滚降。一阶腔（L = 85 nm）器件的最大EQE为~19%，而二阶腔（L = 300 nm）器件的EQE高达16-17%。

Figure4.光学谐振腔对器件运行稳定性的影响

（图片来源：Adv. Mater.）

Figure 4为OLEDs的运行寿命表征。随着光学微腔长度的增加，其运行稳定性逐渐提高。Figure 4b为L0 = 1000 cd m-2时，不同腔长的器件所对应的LT90的数值。将空腔长度调至一阶器件的最大值（85 nm）时，可显著提高其运行寿命，最长可达231 h。进一步将空腔长度延长至二阶最大值300 nm时，LT90可延长至452 h。此外，不同初始亮度下二阶OLED的LT80数据如Figure 4c所示。通常，在OLED领域中，低亮度下寿命的估计值来源于工作寿命与初始亮度之间的经验关系。本实验所采集的数据与模型结果非常吻合。同时，OLED寿命随光强的预测趋势也与经验模型的拟合非常接近。

Figure5.微腔对器件性能调控的机制

（图片来源：Adv. Mater.）

接下来，作者深入探究了空腔厚度对器件寿命的影响（Figure 5）。由于一阶和二阶器件的外耦合效率接近，寿命的变化主要是由于复合区域的对器件电学性能的影响。因此，通过将谐振腔扩展到二阶干涉最大值时，便能够获得高的外耦合效率，最终提高EQE。

总结

德国马克斯普朗克研究所Yungui Li教授利用延长单层OLED中光学微腔的策略提高了器件的效率和运行寿命。双层OLED器件在1000 cd m-2亮度时的LT90寿命为452 h，预估在100 cd m-2亮度时的LT50寿命为90000 h，具有巨大的实际应用潜力。该项工作可以为设计高效、运行稳定的单层TADF OLED开辟道路，加速其在显示和照明产品中的应用。

文献详情：

Yungui Li,* Bas Van der Zee, Xiao Tan, Xin Zhou, Gert-Jan A. H. Wetzelaer, Paul W. M. Blom. Enhanced operational stability by cavity control of single-layer organic light-emitting diodes based on thermally activated delayed fluorescence. Adv. Mater.2023，https://doi.org/10.1002/adma.202304728