I det här arbetet, författarna har visat en hög extern kvanteffektivitet (EQE) i djupblåa organiska ljusemitterande dioder (OLED) baserade på ett nytt cerium (III) -komplex Ce-1 som sändare, som kan uppnå 100 % excitonutnyttjandeeffektivitet (EUE). Tillsammans med dess korta livstid i exciterat tillstånd, justerbart emissionsspektrum, och låg kostnad, cerium(III)-komplex har potential att utveckla djupblå OLED:er med hög effektivitet och långsiktig stabilitet, och även för att expandera inom området full-color OLED.

Jämfört med traditionell bildskärmsteknik, organiska ljusemitterande dioder (OLED) har många fördelar, som hög kontrast, färgrik, stor betraktningsvinkel, lättvikt, flexibilitet, och så vidare. Tills nu, OLED:er har framgångsrikt kommersialiserats på nischmarknaden för bildskärmar och är nu under intensiv forskning för andra applikationer, såsom halvledarbelysning.

Under de senaste tre decennierna, fluorescens, fosforescens, termiskt aktiverad fördröjd fluorescens (TADF), och organiska radikala material har sedan applicerats som sändare på grund av strävan efter hög effektivitet, långsiktig stabilitet, och lågpris OLED. Som en ny typ av sändare i OLED, cerium(III)-komplex har många potentiella fördelar. Först, författarna föreslår att den teoretiska excitonutnyttjandeeffektiviteten (EUE) kan vara så hög som 100 % eftersom cerium(III)-komplexet visar en dubblett 5d-4f-övergång från den enkla elektronen i centrum av cerium(III)-joner (4f1-konfiguration). snarare än en singlett och/eller triplettövergång, som inte kommer att begränsas av spin-statistik.

Andra, cerium (III) -komplex förväntas vara mer stabila i OLED eftersom deras livslängd i upphetsat tillstånd i allmänhet är tiotals nanosekunder. Tredje, cerium(III)-komplex är inneboende blå eller ultravioletta strålare, som visas i litteraturen, även om deras emissionsfärger teoretiskt skulle kunna påverkas av ligandfältet. Dessutom, cerium(III)-komplex är billiga eftersom förekomsten av cerium i jordskorpan är 0,006 viktprocent, vilket är fyra storleksordningar högre än för iridium (0,0000001 vikt%) och till och med något högre än för koppar (0,005 vikt%). Därav, cerium(III)-komplexet har potential att utveckla djupblå OLED:er med hög effektivitet, långsiktig stabilitet, och låg kostnad.

Dock, de flesta rapporterade cerium(III)-komplex är icke-emitterande eftersom klassiska ligander och lösningsmedelsmolekyler har visat sig dämpa cerium(III)-jonluminescens vid koordination. Därav, elektroluminescensstudier på cerium(III)-komplex är mycket sällsynta, och deras fördelar har inte visats. Hittills, det finns bara tre exempel på elektroluminescensstudier av cerium (III) -komplex i litteraturen. Bland dessa exempel, den maximala externa kvanteffektiviteten (EQE) för det bästa resultatet är under 1 %. Som ett genombrott, författarna rapporterar ett nytt och neutralt cerium(III)-komplex Ce-1 med stela skorpionatligander som visar ett högt fotoluminescenskvantutbyte (PLQY) upp till 93 % i dopad film och följaktligen ett högt genomsnittligt EQE på 12,4 % i prototyp-OLED.

Komplexet Ce-1 syntetiserades genom omrörning av kaliumhydrotris(3, 5-dimetylpyrazolyl)borat (KTpMe ₂ ) med Ce(CF ₃ SÅ ₃ ) ₃ i tetrahydrofuran (THF), åtföljs av hydrolys på grund av en spårmängd vatten i lösningsmedlet. Genom den kelatbildande koordinationen av de två multidentata stela liganderna, den centrala cerium(III)-jonen skyddas effektivt från påverkan av miljösläckning. Ce-1-pulver avger djupblått ljus, och spektrumet visar den typiska dubbeltoppsemissionen av cerium(III)joner med en livstid i exciterat tillstånd på 42 nanosekunder. PLQY för dess pulver är så hög som 82%.

När det gäller elektroluminescensegenskapen hos Ce-1, den här artikeln använder först den bipolära BCPO som värdmaterial. Genom att testa PLQY och orienteringsförhållandet för det emitterande lagret (BCPO:Ce-1), och enhetens EQE, EUE för Ce-1 i enheten härleds till att vara så hög som 100 %. Senare, den här artikeln använder TSPO1:CzSi som värdmaterial för att kraftigt öka PLQY för den dopade filmen till 93 %, och slutligen når den maximala EQE för den optimerade enheten 14 % med den maximala ljusstyrkan på 1008 cd m ^-2 . Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) koordinater för denna enhet är (0,146, 0,078).

I det här pappret, mekanismerna för fotoluminescens och elektroluminescens studeras också. Först, elektronparamagnetisk resonans (EPR)-spektroskopin av Ce-1-pulver bekräftade att Ce-1 är paramagnetisk. Beräkningar av densitetsfunktionella teorin (DFT) visar också att donatorn och acceptorn för den första symmetritillåtna övergången kändes igen som 4f- och 5d-orbitaler för den centrala cerium(III)-jonen. Livslängden i exciterad tillstånd på tiotals nanosekunder och den dubbla emissionstoppen med en energiskillnad på ~2000 cm ^-1 indikerar också att det djupblå ljuset kommer från dubblett 5d-4f-övergången av cerium (III) jonen. Genom att jämföra enhetens elektroluminescensspektrum med fotoluminescensspektrumet för den motsvarande dopade filmen, och det transienta elektroluminescensspektrumet, det dras att rekombinationen av bärare sker på Ce-1-komplexet istället för värdmaterialet. På grundval av ytterligare analys av enhetens startspänning och bandgapet mellan liganden och den centrala jonen, denna artikel drar slutsatsen att cerium(III)-jonerna direkt kan fånga elektroner/hål för att bilda dubblettexcitoner och avge djupblått ljus.