华南理工唐本忠院士团队研发天蓝光OLED，外量子效率突破38%！国产显示屏幕“卡脖子”难题迎新希望

“国内电子设备厂商的屏幕供应商主要来自 LG、三星等，国产材料应用仍然非常有限。如果能拥有自主知识产权，即可告别进口依赖。”赵祖金表示。

在柔性显示照明上，OLED（有机发光二极管，Organic Light-Emitting Diode）一直颇具优势，但是现在的主要屏幕供应商是三星和 LG，国内的京东方、和华星光电势头也很猛，但是发光材料仍然是国外的，这也是中国面临的卡脖子问题之一。

而在近日，华南理工大学唐本忠院士团队的赵祖金教授和团队，研发出一类高性能天蓝光 OLED 材料，在论文正式发表前已经申请专利，以便后续落地到产业中，终极目标是解决国家目前面临的相关卡脖子问题。

图 | 赵祖金（来源：赵祖金）

几乎每天我们都会和手机显示屏“见面”，要想实现高清炫彩的展示效果，就离不开 OLED 技术。

近年来，OLED 显示技术备受关注，相关研究热点主要聚焦在有机发光材料和器件制造技术。其中，外量子效率为单位时间内发出的光子数与注入的电子-空穴对的比值，与电能转化为光能的效率相关，是衡量 OLED 器件的主要性能指标之一。

一般来说，OLED 的外量子效率，由内量子效率和光取出效率相乘而来。内量子效率由多种因素决定，包括光致发光量子产率、激子利用率、载流子平衡因子等。

理论上，具有热激活延迟荧光（TADF）的有机发光材料，可实现 100% 的激子利用率，即使内量子效率在理论上可达 100%。但是，对于底发射 OLED 器件来说，光取出效率一般在 20%-30% 之间，这意味着在不使用额外的光取出工艺的情况下，器件的外量子效率的上限为 30%。因此，如果要进一步突破器件效率，提高发光材料本身的光取出效率是一个很好的策略。

来自华南理工学材料科学与工程学院的赵祖金教授，正是着眼于这一策略，实现了目前所报道的最高的天蓝光 OLED 外量子效率。

10 月 20 日，相关论文以《优化水平偶极取向以提高天蓝色延迟荧光分子的外量子效率至38.6%》（Boosting external quantum efficiency to 38.6% of sky-blue delayed fluorescence molecules by optimizing horizontal dipole orientation）为题，发表在 Science Advances 上[1]。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

赵祖金表示，这些高性能发光材料具有典型的聚集诱导发光（AIE）特性，相关光物理机制与 AIE 理论密切相关，此次成果给 AIE 研究领域再添一笔，也意味着 AIE 材料在光电器件应用方面取得了新的突破。

利用分子水平偶极取向工程，提升 OLED 光取出效率

为了实现高电致发光效率，科学家们努力提高发光分子的光致发光量子产率和激子利用率，而光取出效率的提升在分子设计中受到的关注相对较少。在该研究中，该团队通过分子的水平偶极取向工程，成功地提高了材料的光取出效率，最终使器件外量子效率有极大的提升。

如何在材料设计上继续提升光取出效率，是该研究的难点。借此他们开发出一系列以吸电子基团羰基为核心的分子，同时引入螺吖啶和咔唑衍生物两种给电子基团，来提升分子水平偶极取向的比率，从而提高分子的光取出效率。

图 | 研究中所设计的分子化学结构与几何构型示意图（来源：Science Advances）

这些分子具有很强的天蓝色延迟荧光，并表现出优异的光致发光量子产率、大的水平偶极取向比率和平衡的双极载流子传输等突出优点。

图 | 定制分子的光物理性质（来源：Science Advances）

在非掺杂和掺杂的天蓝光 OLED 中可分别实现高达 26.1% 和 38.6% 的外量子效率，是目前文献中所报道的最高值。

（来源：Science Advances）

此外，该研究还实现了性能最好的非掺杂杂化白光 OLED 和全荧光单发射层白光 OLED，表明这些分子在 OLED 产业中具有巨大的应用潜力。

图 | 天蓝光 OLEDs 的器件性能（来源：Science Advances）

据悉，蓝光材料是发光材料领域的难点问题，相关材料的性能并不是很好，该研究所报道的天蓝光材料，很大程度上解决了目前蓝光材料选择匮乏、且性能不好的难题，为发光材料的设计提供了新方法。

此外，利用理论计算方法，该研究揭示了所构建分子实现高性能 OLED 的机理。

在这些分子中，羰基和螺吖啶通过苯基桥形成一个扭曲的 D-A 分子骨架，主导天蓝色延迟荧光的产生。由于 n-π* 跃迁的存在，羰基核有利于增强自旋轨道耦合效应（SOC，spin-orbit coupling）和反向系间窜越（RISC, reverse intersystem crossing）过程，从而促进延迟荧光的产生，提高激子利用率。

图 | 一系列定制发光分子的理论计算（来源：Science Advances）

此外，在这些分子中，分布于羰基核上的n轨道使得由 n-π* 跃迁控制的 T1态，比由 π-π* 跃迁主导的 S1 态对基质极性的变化更敏感；且 n-π* 和 π-π*跃迁在大极性环境中激发态和基态能极差的变化相反，一个增大一个减小。

因此，在发光分子 S1 态的极性 > DPEPO（二苯基-4-三苯基甲硅烷基苯基氧，Bis[2-(diphenylphosphino)phenyl]ether oxide）主体材料的极性 > T1 态的极性的前提下，与非掺膜相比，发光分子在 DPEPO 主体中的 T1 能级的增量大于 S1，导致 ΔEST 值（S1与T1态的能量差值）降低。这种与 S1 态和 T1 态的极性，以及跃迁类型相关的主体材料调节效应，可用于有效地调节 ΔEST 值和延迟荧光特性。

图 | S1 态和 T1 态的跃迁类型（来源：Science Advances）

在羰基核的另一边引入咔唑单元时，几乎没有干扰最高被占据的分子轨道（HOMO），以及最低未被占据的分子轨道（LUMO）的电子结构。因此对延迟荧光性质没有破坏作用，但在一定程度上减弱了分子内电荷转移效应，使分子的发射发生蓝移。

准确来说，咔唑类单元的存在，不仅对于增强热稳定性、防止发光猝灭和激子湮灭存在明显的积极影响，而且通过调节 HOMO-1 轨道的分布和分子的堆叠，还可影响载流子的迁移率。随着咔唑单元的增加，分子的电子迁移率略有变化，但空穴迁移率的变化相对较大，最终使分子具有非常平衡的电子和空穴传输能力。

相关实验结果，不仅证明了这些发光分子在 OLED 中的巨大潜力，也揭示了这些分子采取的水平偶极取向工程，可能会给 OLED 带来新的突破。

新型电致发光分子，应用前景广阔，或将进入寻常百姓家

电致发光材料的特点在于，可将电能转化成光能，主要用于手机、电脑、手环等屏幕，亦叫 OLED 面板，而发光材料也是 OLED 面板制备过程中最关键的材料之一。

图 | LG OLED TV A1（来源：lg.com）

赵祖金解释称，手机 OLED 屏幕之所以能显示不同颜色，是因为应用了红、蓝、绿三种发光材料构成基本色彩，通电后就能发出不同颜色的光。另外，车载显示器、大尺寸的柔性 OLED 电子屏也需要发光材料的参与。

另据悉，这类新型分子也可应用到白光照明领域，例如日光灯、台灯等。通过利用所设计的材料与不同类型的光进行搭配，就能制备出具有白光照明功能的器件。

图 | 暖白光 OLED 的器件性能（来源：Science Advances）

在研究中，该团队还实现了最先进的非掺杂杂化白光 OLED、以及全荧光单发射层白光 OLED，佐证了这些分子的产业潜力。

专利先行，寻找产业化时机

目前，赵祖金所报道的材料的发光主要在天蓝光至黄绿光波段，但对于彩色显示来说还明显不够。

因此，在后续研究方向上，他将继续研究有机功能分子的设计，以及基于新型发光材料的器件制备。具体来说，基于材料的光色调控主要有两种方向：一是缩短波长，将光的颜色往紫外光、深蓝光方向进行调控；二是进一步扩大波长，往近红外方向扩展。

另一方面，也将把目前研发的高性能材料应用到更多的器件中。

目前，他们也正在进行将 TCP-BP-SFAC 材料用作高性能白光器件的主要成分，并对白光器件的结构和工艺进行优化，使所得器件不仅外量子效率高而且省电，非常适合家用电器相关的应用。

图 | HUAWEI P50 Pro 屏幕参数（来源：consumer.huawei.com）

谈到专利保护，他表示专利申请往往需要一定时间，但肯定会获得专利授权。他也在寻找合适机会，将材料打入产业链。

蛰伏五年，终于在国重实验室开花结果

赵祖金说，所研究的发光材料体系从 2016 年萌芽，最初有些人不看好这一体系，但他认为可行并一直坚持下来，直到今天做出成果。实验过程并不太难，难在材料设计思路上。

赵祖金表示从高中时，就对化学很感兴趣，本科就读浙江大学化学系化学专业，在浙江大学博士阶段开始研究发光材料，博士毕业后，便加入唐本忠院士香港科技大学课题组进行博士后研究，进一步开发新型有机发光材料。

他说，唐院士首次提出了“聚集诱导发光（AIE）”这一原创性科学概念，引领了该领域的研究，取得了大量原创性重要成果，并获得国家自然科学一等奖。该工作的材料设计思路也是在AIE机制的指导下进行的创新。

图 | 发光材料与器件国家重点实验室（来源：华南理工大学官网）

2012 年，唐本忠院士在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室开始组建团队，赵祖金于 2013 年加入，是最早的骨干成员之一。他说道，这个平台是一个很好的机遇，能够让研究者把主要的精力放在科研上，这次的研究成果与唐院士的指导和大团队各个成员之间的相互支持密不可分。

发光材料是光电材料与器件领域的一个重要方向，其应用潜力巨大，比如生物传感、医学成像等。赵祖金教授表示，在未来，研究团队将深入探索新材料的基础理论机制，并注重挖掘材料在应用中的潜力。

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参考：

1、Fu, Y.; Liu, H.; Yang, D.; Ma, D.; Zhao, Z.; Tang, B. Z. Sci Adv 2021, 7, eabj2504.