次级原子和基团助力实现高效室温磷光材料及其在交流LED中的应用

利用交流市电（220V，50Hz）直接驱动LED器件发光已成为当前研究的热点之一，探索适用于交流LED（AC-LED）的无机长余辉荧光粉也逐渐成为人们关注的课题。那么，有无可能将纯有机长寿命室温磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）材料应用于于AC-LED呢？最近，哈尔滨工业大学张勇团队联合武汉大学李振教授和中科院化学所彭谦研究员通过引入第二原子和基团，获得了两种高效的室温磷光（RTP）材料（Φ＞25%），并借鉴无机长余辉材料，成功将两种高效RTP材料应用到AC-LED中，获得了高显色指数的白光LED，并降低了其频闪率。

近年来，纯有机室温磷光（pure organic RTP）材料因具有低成本、环境友好和分子设计多样化等一系列优点在分子传感、生物成像、防伪加密、信息存储等方面得到了广泛的关注。在过去几年的发展中，纯有机RTP材料在延长磷光寿命方面取得了重大进展，然而绝大多数材料的量子产率仍保持较低水平（Φ_P< 5%），这极大的限制RTP材料的实际应用。因此，开发具有高量子产率且在复杂多变的环境下仍保持较高效率的RTP材料将是扩展RTP材料应用的必然条件。

研究团队以N-苯基-咔唑为基础单元，通过改变溴（Br）原子取代位置，以及引入次级溴原子/含杂原子的甲氧基来调整更高的激发态性质，成功开发了o-BrCz、m-BrCz、p-BrCz、DBrCz和MeBrCz等一系列高效的纯有机RTP材料。研究发现溴原子的取代位置对Φ_P影响较小，而将次级溴原子和甲氧基引入到o-BrCz中，得到的DBrCz和MeBrCz材料则可以极大的激发单线态和三重态之间的自旋轨道耦合（SOC），显著提高使隙间蹿越（ISC）速率常数。

图1：（a）分子结构；（b）研磨前后DBrCz和MeBrCz发光照片

最终结果表明，DBr-Cz和MeBrCz的Φ_P分别高达24.53%和27.81%，分别是o-BrCz的13.7和15.5倍。此外，他们还发现甲氧基的引入可以平衡寿命和效率之间的内在竞争，可以同时实现长寿命和高效率。

图2：（a）材料的光物理参数；（b）SOC常数和能级示意图；（c）SOC的平方

作为概念性验证实验，DBrCz和MeBrCz成功应用于AC-LED，实现了CIE (0.28, 0.29)和CRI大于90的白色LED。此外，他们还证明了RTP长寿命的磷光可以补偿暗光持续时间的影响，其频闪率降低到了78%，为RTP材料在照明领域的应用提供了新的可能性。

图3：（a）防伪应用（b）AC-LED原理图；（c）LED器件的性能；（d）LED器件；（e）频闪测试

这一成果近期发表在Journal of Physical Chemistry Letters 上，文章第一作者是哈尔滨工业大学博士研究生李博文。论文也得到了中科院福建物构所林航研究员在LED测试上的帮助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Highly Efficient Organic Room-Temperature Phosphorescent Luminophores through Tuning Triplet States and Spin–Orbit Coupling with Incorporation of a Secondary Group

Bowen Li, Yanbin Gong, Lu Wang, Hang Lin, Qianqian Li, Fengyun Guo, Zhen Li*, Qian Peng*, Zhigang Shuai, Liancheng Zhao, Yong Zhang*

J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, 7141-7147, DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02885

导师介绍

李振

https://www.x-mol.com/university/faculty/13558

张勇

https://www.x-mol.com/groups/yongzhang_HIT