三重态电子自旋耦合状态计算公式(来源:网络课件)
好啦,课前知识学习就到这里,下面我们来看一下OLED材料的分类。
按发明时间,OLED材料分为三代:荧光材料、磷光材料和热激活延迟材料(TADF),其中荧光材料和磷光材料已经广泛的应用到OLED量产中,而TADF材料目前还不成熟,但正在向量产的目标努力。
三种材料的原理示意图(来源:天极网)
由于篇幅有限(其实是小编时间有限),这一节我们先讲荧光材料和磷光材料,TADF材料下一节再讲。
上一节讲到,电子空穴复合产生的激子会将能量转移给有机材料分子中的电子,这些电子吸收能量后会跃迁到激发态。而电子的激发态有单重态和三重态之分,算起来一共四种状态,大家本着平均主义原则,获得相同数量的电子,即单重态获得25%,三重态获得75%。
荧光材料发光示意图(来源:网络)
荧光和磷光的区别为:单重态电子跃迁到基态发出的光是荧光,三重态电子跃迁到基态发出的光是磷光,如下图所示。
荧光和磷光的发光原理(来源:网络)
ISC为隙间跨越,即电子从单重态变成三重态,或从三重态变成基态
对荧光材料来讲,处于三重态的电子跃迁时并不发光,而是隙间跨越到基态或释放热量,所以荧光材料只能依靠25%的单重态电子发光,这也就是为什么荧光材料的发光效率只有25%(专业讲法为内量子效率)。
而磷光材料发出的光是三重态上的电子跃迁时发出的,当三重态上的电子跃迁完之后,单重态上的电子还可以通过ISC到达三重态,并最终从三重态跃迁回基态,也就是说磷光材料里所有的激发态电子都可以发光,内量子效率为100%。
目前量产的OLED三原色中,红色和绿色都是磷光材料,只有蓝色是荧光材料,所以蓝色的效率一直是很大的问题。因为实在做不出深蓝色的磷光材料,科学家们只好通过其他方式来提高蓝色的发光效率,其中最有前景的便是TADF材料。
荧光材料受激发后发出的光会快速衰减直至熄灭,这是因为处于单重态的电子不需调整自旋方向便可返回基态,这很符合泡利不相容原理,所以跃迁速度很快。而磷光材料刚好相反,受激发之后会持续发光一段时间,效果如同夜明珠。
单重态的电子因为自旋相反,很容易跃迁
对于磷光材料,三重态电子与基态电子自旋相同,有的电子并没有那么想跃迁,所以速度不快,有延迟发光的特点。
荧光材料的内量子效率最高只有25%,是因为其三重态有跃迁禁戒(即处于三重态的电子无法和基态的电子形成自旋轨道耦合,向基态跃迁违反泡利不相容原理),所以电子无法以发光的形式跃迁回基态,通常以热量的形式释放能量。
但如果在有机分子中加入一个重金属(例如Ir、Pt、Re等,其中Ir具有较短的三线态寿命,在室温下有较高的发光效率和较强的磷光被广泛用于磷光材料中),可在有机材料内形成较强的自旋轨道偶合效应,使电子从三重态跃迁回基态成为可能(普林斯顿大学教授Forrest在1997年发现)。