664
來(lái)源：密歇根大學(xué)
CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，得益于超薄柔性潛力、超大視角、超高對(duì)比度和超低響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)異的性能優(yōu)勢(shì)，OLED顯示器已經(jīng)在很多領(lǐng)域慢慢取代傳統(tǒng)LCD顯示器。不過(guò)，目前的OLED顯示器因?yàn)榘l(fā)光材料的特性也還存在諸如發(fā)光效率、壽命和燒屏等問(wèn)題，從第一代的熒光有機(jī)發(fā)光材料、第二代的磷光有機(jī)發(fā)光材料到最新的TADF和Hyper-Fluorescent等材料，為了更好的完善OLED顯示器，學(xué)界和業(yè)界都展開(kāi)了廣泛的攻關(guān)研究。
最近，一個(gè)由密歇根大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種新型OLED發(fā)光材料。該材料使用新的混合材料，取代了現(xiàn)有基于重金屬的有機(jī)發(fā)光材料，測(cè)試結(jié)果顯示，新方案能夠保持原有方案的顏色表現(xiàn)力和超高的對(duì)比度，可以作為新的升級(jí)方案用于當(dāng)前電視、智能手機(jī)或其他顯示器的OLED顯示屏。
除此以外，還有一點(diǎn)讓研究人員感到奇怪，那就是這種新開(kāi)發(fā)的材料似乎也同時(shí)打破了現(xiàn)有的量子規(guī)則。如前述，目前市場(chǎng)上的OLED顯示屏所使用的第二代磷光有機(jī)發(fā)光材料，通常包含銥和鉑等重金屬元素和成分，這些可以提高OLED屏幕的發(fā)光效率、亮度和色域大小。不過(guò)，它們也有一些明顯的缺點(diǎn)，比如使用這些材料的OLED顯示器成本明顯更高，設(shè)備的壽命更短，其源自重金屬使用造成的健康和環(huán)境危害增加。
實(shí)際上，在OLED顯示器中，第二代磷光有機(jī)發(fā)光材料之所以被提出，且已經(jīng)在紅色和綠色發(fā)光材料領(lǐng)域取代第一代熒光發(fā)光材料，其主要原因是磷光發(fā)光材料的發(fā)光效率更高，相應(yīng)的OLED顯示器更加節(jié)能。但另一方面，磷光發(fā)光從機(jī)制上看其發(fā)光速度比熒光更慢，在沒(méi)有重金屬元素成分的情況下需要幾毫秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，提高磷光發(fā)光速度到微秒量級(jí)甚至超過(guò)該量級(jí)一直都是現(xiàn)代顯示器設(shè)計(jì)所希望看到的，畢竟目前很多顯示器都需要以每秒120幀的速度運(yùn)行，更快得發(fā)光速度可以避免OLED顯示時(shí)產(chǎn)生揮之不去的“重影”圖像，這也是第二代磷光發(fā)光材料中加入重金屬元素的關(guān)鍵作用之一。
增加重金屬元素可以提高磷光有機(jī)發(fā)光材料的發(fā)光速度，但是卻因?yàn)橹亟饘僭氐拇嬖谝肓似渌恍﹩?wèn)題，比如環(huán)境危害等。
“我們找到了一種新的制造磷光有機(jī)發(fā)光材料分子的方法，這種發(fā)光材料分子可以在微秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)發(fā)光，更重要的是這種新的磷光發(fā)光分子種不含有重金屬元素，”密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Jinsang Kim道說(shuō)，他是這一成果發(fā)表在《自然通訊》期刊上的作者之一。
除了Jinsang Kim教授以外，韓國(guó)仁和大學(xué)化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程教授Dong-Hyuk Park和成均館大學(xué)先進(jìn)材料科學(xué)與工程系教授Sunkook Kim也都是合作者。
據(jù)介紹，熒光和磷光發(fā)光機(jī)制之間的速度差，主要和流經(jīng)OLED材料電流中的電子滑入分子可用電子軌道內(nèi)的高能級(jí)（也被稱為激發(fā)態(tài)）后所發(fā)生的事情有關(guān)。在熒光發(fā)光機(jī)制中，這些處于激發(fā)態(tài)的激子會(huì)立即以光的形式釋放能量，返回基態(tài)。但在磷光發(fā)光機(jī)制中，這些激子則必須先進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后才能以光的形式釋放能量，然后返回基態(tài)。
這種轉(zhuǎn)換與電子的自旋有關(guān)。每個(gè)電子在基態(tài)都有一個(gè)耦合對(duì)象，量子力學(xué)規(guī)則——泡利不相容原理——要求這兩個(gè)電子以相反的方向自旋。不過(guò)，當(dāng)其中一個(gè)電子激發(fā)到更高能級(jí)的軌道上時(shí)，該電子的自旋方向最終可能會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)檫@兩個(gè)電子現(xiàn)在都處于單獨(dú)在軌道上。此時(shí)，高能級(jí)的電子只有四分之一的幾率和原來(lái)的耦合電子的自旋方向相反，也就是說(shuō)只有這四分之一的幾率發(fā)出熒光。
對(duì)比來(lái)看，磷光的發(fā)光效率提高了三倍，因?yàn)樗軌蚶闷渌姆种募ぐl(fā)電子，不過(guò)它要求電子在返回之前翻轉(zhuǎn)其自旋狀態(tài)。在傳統(tǒng)的磷光發(fā)光材料中，其所使用重金屬的大原子核會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)能夠迫使相同自旋方向的激發(fā)電子快速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在返回基態(tài)時(shí)更快地發(fā)光。
為了在維持發(fā)光速度的同時(shí)，取消重金屬元素的使用，研究人員提出了一種新的材料結(jié)構(gòu)，它將二維的鉬和硫沉積在類似的有機(jī)發(fā)光材料層附近，通過(guò)物理接近而無(wú)需任何化學(xué)鍵合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的效果。最終，經(jīng)過(guò)樣品制作和測(cè)試，這種混合結(jié)構(gòu)將發(fā)光速度提高了1000倍，達(dá)到了目前顯示器所需要的微米量級(jí)發(fā)光速度。
據(jù)介紹，該發(fā)光過(guò)程完全發(fā)生在有機(jī)材料內(nèi)，沒(méi)有弱的金屬-有機(jī)配體鍵合，所以它還有助于延長(zhǎng)材料壽命。實(shí)際上，傳統(tǒng)依賴重金屬的磷光OLED需要使用重金屬元素來(lái)幫助產(chǎn)生顏色，當(dāng)兩個(gè)激發(fā)的電子接觸時(shí)，金屬和有機(jī)材料之間較弱的化學(xué)鍵會(huì)斷裂，進(jìn)而使發(fā)光像素變暗。
像素?zé)潦歉吣芩{(lán)光發(fā)光像素開(kāi)發(fā)和制造的一個(gè)特殊問(wèn)題，截止目前也沒(méi)有得到很好地解決，不過(guò)現(xiàn)在這些研究人員希望他們的新設(shè)計(jì)方法可以幫助實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的藍(lán)色磷光像素制造。一個(gè)顯示情況是，目前商業(yè)化的OLED通常使用磷光發(fā)光形式的紅色和綠色像素搭配第一代熒光發(fā)光形式的藍(lán)色像素，這也是設(shè)計(jì)人員以較低的能源效率為代價(jià)避免藍(lán)色像素?zé)龎牡牟坏靡训姆桨浮?/p>
除了潛在的應(yīng)用之外，研究人員對(duì)這種分子混合系統(tǒng)的分析還測(cè)量到了一些曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能的事情——共享軌道的成對(duì)電子在黑暗條件下似乎具有組合自旋，這意味著它們處于一種本該被禁止的“三重態(tài)”。
“我們還沒(méi)有完全理解是什么導(dǎo)致了基態(tài)中的三重態(tài)，因?yàn)檫@違反了泡利不相容原理。這是非常不可能的，但從測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，情況似乎確實(shí)如此，”Kim說(shuō)：“這讓我們對(duì)真正讓這種情況發(fā)生的原因有了更多的疑問(wèn)?！?/p>
未來(lái)，該研究小組將繼續(xù)探索該材料是如何實(shí)現(xiàn)三重態(tài)特征的基態(tài)的，同時(shí)除了OLED顯示以外，還會(huì)探索潛在的自旋電子學(xué)器件應(yīng)用。目前，該研究團(tuán)隊(duì)在密歇根大學(xué)創(chuàng)新伙伴關(guān)系的協(xié)助下申請(qǐng)了專利保護(hù)，并正在尋找合作伙伴來(lái)使用這種新型材料制造OLED等設(shè)備。
這項(xiàng)研究工作得到了韓國(guó)政府支持的韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)資助，和密歇根大學(xué)工程學(xué)院的START項(xiàng)目的支持。另外，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校和東國(guó)大學(xué)的合作者為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)。
