日本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)色純度極高的有機(jī)系列藍(lán)色發(fā)光材料

關(guān)西學(xué)院大學(xué)的畠田琢次教授和JNC株式會(huì)社的子公司--JNC石油化學(xué)株式會(huì)社的合作研發(fā)小組成功開發(fā)了一款用于色純度超過(guò)量子點(diǎn)和LED的有機(jī)顯示屏的藍(lán)色發(fā)光材料。

需要開發(fā)出具有色純度和發(fā)光效率都極佳的OLED顯示屏發(fā)光材料；

靈活運(yùn)用氮和硼的特性，成功研發(fā)出了色純度超過(guò)氮化鎵（Gallium）系列LED和鎘（Cadmium）系列量子點(diǎn)的有機(jī)系列藍(lán)色發(fā)光材料（ν-DABNA）。

有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍(lán)光的降低等。

有機(jī)EL（OLED）顯示屏作為代替液晶顯示屏的新型顯示技術(shù)，其實(shí)用化正逐步被推進(jìn)。但是，有機(jī)發(fā)光材料具有發(fā)光的色純度低（發(fā)光光譜較寬）的缺點(diǎn)。如果色純度較低，應(yīng)用于顯示屏?xí)r，就需要利用光學(xué)過(guò)濾器（Filter）從發(fā)光光譜（Spectre）中除去不必要的顏色，提高色純度，結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致顯示屏的亮度、發(fā)光效率大幅度降低。另外，通過(guò)濾光片提高色純度仍是有限的，因此，存在難以提高顯示屏色域的問(wèn)題，需要開發(fā)出一款色純度較高的發(fā)光材料。

畠田教授及其研發(fā)小組在發(fā)光分子的合適位置導(dǎo)入2個(gè)硼、4個(gè)氮，再加上共振效果的作用，成功控制了導(dǎo)致發(fā)光光譜較寬的原因－－即伸縮震動(dòng)，并成功研發(fā)出了色純度超過(guò)氮化鎵（Gallium）系列LED和鎘（Cadmium）系列量子點(diǎn)的有機(jī)系列藍(lán)色發(fā)光材料（v- DABNA）。

研發(fā)小組在2016年成功研發(fā)了DABNA，也就是ν- DABNA的原型（Prototype），并成功應(yīng)用于高端智能手機(jī)的有機(jī)EL顯示屏上。此次開發(fā)的ν- DABNA的色純度、發(fā)光功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)DABNA，有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍(lán)光的降低等。

此次研發(fā)成果于2019年7月15日（英國(guó)時(shí)間）公開于英國(guó)科學(xué)雜志《Nature Photonics》的網(wǎng)上速報(bào)版。

研究背景及過(guò)程：

與液晶顯示屏相比，有機(jī)EL（OLED）顯示屏具有優(yōu)秀的對(duì)比（Contrast）度、無(wú)視角限制、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，在智能手機(jī)、電視、工業(yè)顯示屏方面有廣泛的應(yīng)用。作為用于有機(jī)EL顯示屏的發(fā)光材料，熒光材料、磷光材料、熱活性化延遲熒光（TADF）材料這3種材料可以作為有機(jī)系列發(fā)光材料來(lái)使用，然而都存在半峰全寬(Full Width at Half Maxima)較大、色純度較低的問(wèn)題。

一般情況下，顯示屏的發(fā)光是通過(guò)混合光的三種原色紅、綠、藍(lán)來(lái)顯示各種各樣的顏色，如果其色純度較低的話，就有可能出現(xiàn)無(wú)法再現(xiàn)顏色的問(wèn)題，顯示屏的畫質(zhì)（顏色再現(xiàn)性）也會(huì)降低。市場(chǎng)上銷售的有機(jī)EL顯示屏一般是通過(guò)光學(xué)過(guò)濾器（Filter）把不需要的光從發(fā)光光譜中除去，提高色純度（也就是降低光譜的寬度）后再使用。此時(shí)，如果原始光譜的寬度較寬的話，被除去的光的比例也會(huì)增加，就會(huì)出現(xiàn)顯示屏亮度、發(fā)光效率大幅度降低的問(wèn)題。而且，通過(guò)濾光片提高的色純度是有限的，因此也存在難以提高顯示屏色域的問(wèn)題，所以亟待開發(fā)出一款色純度較高的發(fā)光材料。此外，在此背景下，作為代替有機(jī)EL的技術(shù)，采用了氮化鎵（Gallium）系列發(fā)光二極管（Diode）（LED）的micro-LED、采用了鎘（Cadmium）系列量子點(diǎn)的QD-OLED的研發(fā)正在如火如荼地進(jìn)行著。

研究?jī)?nèi)容：

迄今為止，作為有機(jī)EL的藍(lán)色發(fā)光材料，一直采用的是發(fā)光效率高的多環(huán)式芳香族碳?xì)浠衔铮℉ydrocarbon）類的嵌二萘（Pyrene）、二萘嵌苯（Perylene）的誘導(dǎo)體，但是帶來(lái)了半峰全寬(Full Width at Half Maxima)為40nm左右的發(fā)光光譜的問(wèn)題（參考下圖 左），其原因在于HOMO、LUMO分別主要存在于不同的碳原子之間，伴隨著發(fā)光，從激發(fā)單重態(tài)（Singlet）（S1）到基態(tài)(Ground State)（S0）遷移時(shí)（S1→S0遷移，相當(dāng)于從LUMO到HOMO的電子遷移）時(shí)，碳原子之間的電子密度變化極大。由于S1→S0的遷移，碳原子之間的密度變大的話，碳原子之間的活動(dòng)力也會(huì)發(fā)生變化，雖然也會(huì)伴隨著碳-碳結(jié)合的伸縮震動(dòng)，根據(jù)其震動(dòng)的能量（Energy）（1300-1700cm-1），發(fā)光光譜的寬度增加。另一方面，關(guān)于v-DABNA，由于硼和氮的的多重共振效果，HOMO和LUMO分別局部分布于不同的碳原子上，由于幾乎不存在因S1→S0遷移而產(chǎn)生的碳原子之間的電子密度的變化，所以也沒(méi)有伸縮震動(dòng)（參考右圖）。S1→S0的遷移雖然會(huì)產(chǎn)生分子整體的扭曲（扭轉(zhuǎn)）震動(dòng)，但由于其震動(dòng)的能量（Energy）極其微?。▇20cm-1），所以顯示了半峰全寬為14-18nm的極其窄的發(fā)光光譜。另外，v-DABNA具有優(yōu)秀的TADF特點(diǎn)，在實(shí)用輝度（300cdm-2）方面，具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往的藍(lán)色粒子的外部量子發(fā)光效率的30%。

今后方向：

此次研發(fā)的v-DABNA兼具超過(guò)氮化鎵系列LED和鎘（Cadmium）系列量子點(diǎn)的色純度、最高水準(zhǔn)的功率，為此，有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍(lán)光的降低。此外，關(guān)于市場(chǎng)上銷售的顯示屏，如何提高藍(lán)色發(fā)光素子的性能是其“瓶頸（Bottle Neck）”。為此，通過(guò)合理優(yōu)化素子構(gòu)造、生產(chǎn)工藝，有望今后可以降低顯示屏的成本。通過(guò)此次研究確立的分子設(shè)計(jì)，今后也會(huì)開發(fā)出更多具有優(yōu)秀特性的發(fā)光材料。

名詞術(shù)語(yǔ)解釋：

DABNA

“Ultrapure Blue Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecules: Efficient HOMO–LUMO Separation by the Multiple Resonance Effect”（超高純度藍(lán)色活性化延遲熒光材料：通過(guò)多重共振效果有效分離HOMO-LUMO）Adv. Mater. 2016, 28, 2777. doi:10.1002/adma.201505491

熱活性化延遲熒光（TADF材料）

TADF材料是一種熒光材料，它可以有效地從三重態(tài)激發(fā)轉(zhuǎn)換為單重激發(fā)，理論上可以把所有的電轉(zhuǎn)換為光，而且，它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是不像磷光材料一樣采用銥（Iridium）、鉑（Platina）等稀有元素。TADF材料是由安達(dá) 千波教授（九州大學(xué) 最尖端有機(jī)光電研究中心）及其小組發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在日本國(guó)內(nèi)外研究人員正以安達(dá)教授為中心積極研究。

半峰全寬值(Full Width at Half Maxima)

也被稱為“半寬度、半峰寬”，是計(jì)算山形函數(shù)的寬度的標(biāo)準(zhǔn)。此處，指的是發(fā)光光譜中的發(fā)光強(qiáng)度的最大值的1/2值處的光譜的寬度（全寬）。市場(chǎng)上銷售的有機(jī)EL顯示屏的藍(lán)色光源采用的是半峰全寬值相對(duì)較窄的熒光材料。

HUMO

被電子占據(jù)的某些分子軌道中能量（Energy）最高的軌道--最高被占軌道（Highest Occupied Molecular Orbital）的縮略語(yǔ)。比下文提到的LUMO的能量水平稍低。有機(jī)EL素子處于不穩(wěn)定狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），也就是電子從HOMO遷移到LUMO的狀態(tài)，電子從LUMO遷移到HOMO時(shí)（即安定的狀態(tài)），產(chǎn)生光。在激發(fā)狀態(tài)，由于占據(jù)分子軌道的電子成為一體，所以被稱為半占軌道（SOMO：Singly Occupied Molecular Orbital）。

LUMO

沒(méi)有被電子占據(jù)軌道的某些分子軌道中的能量最低的的軌道--即最低空軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）的縮寫。在激發(fā)狀態(tài)下，占據(jù)分子軌道的電子成為一體，所以是半占軌道（SOMO）。

外部量子功率

在光電變換素子（有機(jī)EL、發(fā)光二極管--LED等）中使用的效率的指標(biāo)之一。通過(guò)由外部注入的電子數(shù)量和向外部釋放的光量子數(shù)量在單位時(shí)間內(nèi)的比來(lái)表示。在有機(jī)EL 中，由于素子的構(gòu)成不同，數(shù)值會(huì)有所不同；一般，熒光素子為~10%，磷光素子和TADF素子為~30%。由外部注入的電子數(shù)量和素子內(nèi)部發(fā)生的光量子數(shù)字的比被稱為“內(nèi)部量子功率”，磷光素子和TDAF素子可以達(dá)到100%。由于不可能從面板（Panel）的前面提取所有的產(chǎn)生的光，所以顯示屏的外部量子功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)部量子功率。外部量子功率=內(nèi)部量子功率*光的提取率。