利用有机磁场效应探索有机电致发光中的热致延迟荧光过程

Owing to its great potential in all use of exciton, the thermally activated delayed fluorescence (TADF) becomes very fascinating in development of low cost and highly efficient organic light-emitting diodes (OLEDs). At present, the research of TADF is still in initial stage. Many physical processes of TADF have not been thoroughly understood, among which are: (i) what induces the spin flip of electron during the TADF process? and (ii) how to improve the efficiency of OLEDs through optimizing the TADF? In order to solve these problems, this project aims to investigate the TADF process in organic electroluminescence through organic magnetic field effects (OMFEs). As compared to the typical method of “time resolved delayed fluorescence spectra”, the OMFEs not only can indicate the mutual conversion between singlets and triplets, but also can give out more convincing results. The specific procedures are as follows: first, the underlying mechanism of magnetic field affecting reverse intersystem crossing (RISC) from triplets to singlets will be studied to develop the “fingerprint spectra” of TADF; and secondly, the relationship between OMFEs and RISC rate will be established to make effective evaluations of TADF process; finally, some unfavorable factors of TADF process will be revealed and providing ideas for further enhancing the OLEDs efficiency.

热致延迟荧光（TADF）过程能够实现激子的全部有效利用，对开发廉价、高效的有机发光器件（OLED）具有重要意义。目前，对TADF的研究尚处于初始阶段，涉及的物理过程没有得到彻底认识。其中最重要的几个问题是：TADF中电子发生自旋翻转的因素是什么，以及如何改善TADF以提高荧光OLED的发光效率。针对这些问题，本项目拟通过有机磁场效应（有机磁电阻和有机磁致亮度变化），来研究有机电致发光中的TADF过程。相比“时间分辨的延迟荧光光谱”，有机磁场效应更直观地反映器件在电致情况下单、三线态激子的相互转化。具体的研究内容是：首先，探索外磁场影响三线态激子→单线态激子反向隙间窜越（RISC）的物理机制，实现TADF “指纹特征谱”的开发与识别；进而，建立有机磁场效应数值与RISC转化速率的对应关系，实现对TADF的有效评价；最后，揭示制约TADF的潜在因素，为进一步提高OLED的光电转换效率提供思路。

有机热致延迟荧光（TADF）和有机-无机杂化钙钛矿（OIHP）发光是当前半导体发光领域的两个研究热点，对开发廉价、高效的半导体电致发光器件具有重要意义。然而，人们对产生TADF的物理机制并不清晰，同时有机-无机杂化钙钛矿发光器件的开发也处于初始阶段。针对上述科学问题，本项目的研究内容分为两部分：一、通过有机磁场效应（有机磁电阻和有机磁致亮度变化）探索TADF过程中的单、三线态激子的相互转化，揭示电子自旋翻转的因素。二、通过界面修饰和引入添加剂，开发全膜覆盖、双极载流子平衡注入的高效率钙钛矿电致发光器件。取得的主要研究成果如下：（1）通过研究共聚物发光材料PFOPV的有机磁电导效应（MC）和有机磁致亮度变化（MEL），并采用瞬态/稳态荧光光谱分析相结合的方法，揭示了激子态和电荷转移态各自与载流子相互作用（TQA）时扮演的角色，同时首次论证了高效率共聚物材料中的反向隙间串越过程；（2）对3D钙钛矿发光器件中的传统空穴传输层PEDOT：PSS进行修饰，例如掺杂金纳米粒子、高功函数材料MoO3或插入空穴缓冲层PFO，都可以减少PEDOT：PSS/钙钛矿界面处的荧光淬灭，从而提升了器件的效率和稳定性；（3）在钙钛矿发光层中引入添加剂，例如空穴传输材料PVK+电子传输材料TPBi，可以改善钙钛矿的成膜质量和载流子传输特性，从而获得高效率的钙钛矿发光器件；而当引入链状材料PABr时，可以原位生长得到2D的PA2(CsPbBr3)n-1PbBr4多量子阱钙钛矿结构，这样利用载流子转移最终将能量有效地束缚在n值最大的量子阱结构中，最终得到世界效率领先的蓝绿光发射。本项目的研究意义在于：一、我们分别从器件物理和材料物理的角度，首次揭示了共聚物发光材料中，TQA和TADF过程对其发光效率的贡献，为将来开发其它高效率、低成本的共聚物发光材料，提供了一个可行的思路。二、通过两种独立的途径，即界面修饰和引入添加剂，得到了高效、稳定的有机-无机杂化钙钛矿电致发光器件，为将来钙钛矿发光发展和产业化，起到一定推动的作用。