自誕生以來，有機發光二極管（Organic light-emitting diode, OLED）在三十年間已經發展成為一個價值數百億美元的産業。實際應用中，具有100%激子利用率的高效磷光材料已經能夠滿足三基色紅光和綠光器件的需求，但是較長的激發态壽命（通常長于1微秒）和較高的激發态能量使得基于藍色磷光材料的器件穩定性不佳。因此，目前産業中使用的藍色發光材料仍是激子利用率較低但激發态壽命較短（納秒）的熒光材料。

傳統的f-f躍遷稀土配合物兼具100%激子利用率和可實現高色純度紅光、綠光的優點，是一類比磷光材料更早應用于OLED研究的發光材料。然而，f-f躍遷本征毫秒級的激發态壽命限制了器件性能的提升，使得多年來稀土配合物電緻發光研究領域的進展非常緩慢。

 圖1. 配合物Ce-1、Ce-2的分子結構和發光顔色

最近，beat365黃春輝課題組合成了兩種具有納秒級短激發态壽命的d-f躍遷稀土铈(III)配合物Ce-1和Ce-2（圖1），紫外激發下分别發射深藍色和天藍色光，光緻發光量子産率均超過90%。經過優化，兩種材料在OLED中均實現了高效藍色發光，首次證明了铈(III)配合物在OLED中具有100%的激子利用率。此外，相較于發光顔色相近的傳統的磷光銥(III)配合物器件，基于铈(III)配合物器件的工作穩定性提高近70倍。

圖2. 铈(III)配合物電緻發光機理

作者認為，器件中的配合物可以通過具有單電子的铈(III)離子直接俘獲電子和空穴，形成二重态激子并輻射發光（圖2），從而繞過傳統閉殼層發光材料中自旋統計限制，實現高激子利用率的目标，而自旋和宇稱允許的d-f躍遷所伴随的短激發态壽命則是器件穩定性提高的根源。

考慮到铈(III)配合物還具有可調的發射光譜（d軌道受配體場影響顯著）和較低的原料成本（铈在地殼中的含量是銥的近60000倍，高于銅），此類發光材料不僅有希望解決實際應用中高效藍光OLED存在的難題，同時還有潛力成為新一代發光材料應用于OLED全色顯示和照明。這些工作對于實現我國稀土資源高價值利用，發展具有自主知識産權的OLED發光材料具有重大意義。

上述深藍光OLED工作以“Deep-blue organic light-emitting diodes based on a doublet d–f transition cerium(III) complex with 100% exciton utilization efficiency” 為題發表在Light: Science & Applications雜志。天藍光OLED工作以 “Efficient rare earth cerium(III) complex with nanosecond d-f emission for blue organic light-emitting diodes”為題發表在National Science Review雜志。兩篇論文均以beat365博士後趙子豐和博士研究生王李玎為共同第一作者，beat365劉志偉副教授為通訊作者。相關工作已經申請專利“基于d-f躍遷的電緻發光材料及器件”并獲得授權（專利号：201910407555.0）。上述研究受到國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、中國博士後基金的資助。

文章鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-00395-4

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa193/5898678