摘要
关键词
- 蓝色磷光有机发光二极管 (Blue Phosphorescent OLEDs)
- 极化子增强 (Polariton Enhancement)
- Purcell效应 (Purcell Effect)
- 器件寿命 (Device Lifetime)
- 微腔工程 (Microcavity Engineering)
- 深蓝色发射 (Deep-Blue Emission)
研究背景
蓝色磷光OLED以其高效率和亮度，在显示和照明领域具有广泛应用。然而，器件寿命短是当前的主要限制，尤其是由于高能量三重态激子的聚集导致分子解离和非辐射猝灭效应。本研究聚焦于通过增强Purcell效应来快速辐射三重态能量，从而降低激子密度，减少高能聚集引起的器件降解问题。
创新点
- 提出了极化子增强Purcell效应以提升蓝色PHOLED的运行寿命。
- 使用Ag/DBR光学腔体显著优化光提取和发射色彩饱和度。
- 达到了目前基于Ir配合物蓝光PHOLED的最长运行寿命。
研究内容
研究通过设计低品质因数光腔和引入金属-介电界面上的极化子态，实现了对三重态激子的快速辐射衰减。实验构建了三种不同类型的蓝色PHOLED器件，优化了发射层（EML）厚度和光腔结构。结果显示，与传统蓝色PHOLED相比，采用Ag/BPyTP2极化子增强的器件将LT90延长了5.3倍，达到140小时。实验中进一步分析了三重态衰减率和Purcell因子的非线性关系，并通过时间分辨光谱（TrPL）验证了器件的辐射速率增强。
(a) 发射青色光的传统器件中，三重态在阴极表面向SPP的能量转移率较小，因此PL寿命仅有适度的变化。三重态的缓慢辐射衰减导致平衡态下的高密度，从而诱发TPA和TTA的高概率，导致快速退化。
(b) 使用Ag/ETL组合的发射深蓝光的腔体器件，通过向PEP的快速能量转移实现增强的Purcell效应。因而三重态密度降低，从而减少TPA和TTA。Purcell增强型器件使用DBR与金属阴极形成光学腔体，提高光提取效率和发射颜色饱和度。
(a) Ag/BPyTP2、Ag/SF3Trz、Al/BPyTP2和Al/SF3Trz阴极/ETL的角分辨极化子色散测量反射率，通过椭圆偏振法测量。Al/BPyTP2 LP、MP和UP通过耦合振荡器模型拟合到校正的局部极小值（圆形标记），用实线表示。
(b) 使用传输矩阵法模拟的反射率。右侧为BPyTP2和SF3Trz的消光系数。
(c) 使用傅里叶成像光谱测量的角分辨PL。PL强度乘以100×、40×和100×，分别对应Ag/SF3Trz、Al/BPyTP2和Al/SF3Trz。见方法部分和扩展数据图2了解PEP色散的分析。
(a) 传统PHOLED（C）结构使用Al/Liq阴极；极化子增强半腔体（H）使用Ag阴极，并以3 nm厚Al和Liq缓冲；全腔体（F）在H的基础上添加底部DBR。所有结构均包含50 nm厚的EML。顶部显示不同通道的三重态能量转移率，归一化到自然辐射衰减率。
(b) 50 nm厚Ir(cb)3 EML结构的时间分辨PL（TrPL）光谱，数据拟合到TTA模型和单指数衰减模型。
(a) Ir(dmp)3器件C1-C3和F1-F3的EQE与电流密度（J）的关系曲线。
(b) C1与F1-F3的EL强度光谱。相对EL强度基于J=10 mA cm-2的EQE计算。
(c) F2的角分辨PL光谱，插图显示F2和C2的角分辨PL强度。
(d) C1-C3和F1-F3在J=7 mA cm-2下的亮度衰减。
(a) Ir(dmp)3器件C1-C3、H1-H3和F1-F3的计算平均PF与器件操作寿命的幂律关系。
(b) C1与F1-F3在J=7 mA cm-2下的LT90、峰值外部量子效率EQEmax和CIEy坐标对比。
(c) 本研究与文献中报道的蓝色Ir复合物基PHOLEDs的归一化LT90与CIEy的对比。
结论与展望
研究表明，利用极化子增强Purcell效应能够有效延长蓝光PHOLED的寿命，同时实现高外量子效率和深蓝发射色彩饱和度。未来研究将着重于进一步优化极化子分散与腔体结构，为高性能OLED的设计提供新的工程自由度。
论文直达
原文标题：Stable Blue Phosphorescent Organic LEDs That Use Polariton-Enhanced Purcell Effects
Nature, 2024, 626, 300–305.
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