白光有機發光二極管（WOLEDs）具有亮度高、功耗低、響應速度快、超薄質輕及可柔性化等優點，在顯示背光源和照明領域具有廣闊的應用前景。其中，單發光層WOLEDs（SEL-WOLEDs）因為器件結構簡單而受到廣泛關注。典型的SEL-WOLEDs的發光涉及到發光層中主體材料與發光材料的傳能以及不同能量的發光材料之間的傳能，複雜的傳能過程的調控增大了器件設計的難度。不僅如此，發光能量較低的材料往往需要以極低且精确的濃度（＜1%）摻雜在發光層中，這也增大了器件制備的難度。

減少發光層中能量傳遞通道理論上是簡化SEL-WOLEDs器件設計的一種新策略。近年來，劉志偉研究員團隊發現d-f躍遷稀土發光配合物作為發光材料應用于有機發光二極管（OLEDs）時主體材料不參與能量傳遞過程（Light Sci. Appl., 2020, 9, 157; Nat. Commun., 2020, 11, 5218），可以有效地減少能量傳遞通道。除此之外，他們還提出并證明d-f躍遷稀土發光配合物應用于OLEDs時具有諸多優勢，如理論效率高、激發态壽命短、發光顔色可調和成本低等（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202302192; Mater. Horiz., 2023, 10, 625; Cell Rep. Phys. Sci., 2022, 3, 101107; Natl. Sci. Rev., 2021, 8, nwaa193; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19011）。所以，d-f躍遷稀土發光配合物在SEL-WOLEDs中的應用潛力非常值得探索。

近日，beat365官方网站的劉志偉研究員在Light: Science & Applications雜志上發表了題為“Lanthanide complexes with d-f transition: new emitters for single-emitting-layer white organic light-emitting diodes”的論文，該工作合成了具有d-f躍遷發光性質的天藍光發射的铈(III)配合物Ce-TBO2Et和橙紅光發射的铕(II)配合物Eu(Tp2Et)2，利用兩種發光材料構建的SEL-WOLEDs發光效率高且發光顔色穩定。研究表明，主體材料不參與傳能過程且低能量的橙紅光材料的質量摻雜濃度可高達5 wt%，體現了d-f躍遷稀土發光配合物應用于SEL-WOLEDs時可簡化傳能過程和器件制備工藝的優勢。

圖1. 天藍光發射的铈(III)配合物Ce-TBO2Et和橙紅光發射的铕(II)配合物Eu(Tp2Et)2的合成與結構示意圖。

在電緻發光性能的探究中，該工作首先制備了天藍光和橙紅光OLEDs，随後制備了SEL-WOLEDs，最後探究了器件的傳能機理。通過主體材料的篩選，9,9'-(1,3-苯基)二-9H-咔唑（mCP）被選定為Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2的主體材料。基于相同的器件結構（僅發光層不同），該工作制備了天藍光器件B1和橙紅光器件O1，發光層分别為mCP:Ce-TBO2Et（10 wt%）和mCP:Eu(Tp2Et)2（12 wt%），器件的最大外量子效率（EQE）分别為22.3%和11.1%，是目前性能最好的基于d-f躍遷稀土發光配合物的藍光和紅光OLEDs。

為了驗證器件在電緻發光過程中不涉及主體材料mCP的傳能，該工作基于Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2制備了一系列單空穴器件，結果表明，器件B1和O1中的發光機理為空穴被發光材料捕獲，随後與電子傳輸材料及主體材料傳輸的電子複合形成激子，實現發光。激子雖然不在主體材料mCP上形成，但是mCP可以傳輸電子，且其高能級可以避免能量從發光材料反傳到mCP。

圖2. 以Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2為發光材料的天藍光OLEDs（B1）、橙紅光OLEDs（O1）和SEL-WOLEDs（W1）的器件結構及性能曲線，器件Rx是以不同濃度橙紅光發射的銥(III)配合物Ir(bt)2acac替代Eu(Tp2Et)2制備的參比器件。

将器件B1或O1中的Ce-TBO2Et或Eu(Tp2Et)2單組分摻雜的發光層替換為Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2雙組分共同摻雜的發光層可以制備得到SEL-WOLEDs（器件W1），即用天藍光和橙紅光複合實現白光發射。随着發光亮度的提升，器件W1的發光顔色基本不變，且性能介于器件B1和O1之間，最大EQE為15.9%。  

器件W1中低能量的發光材料Eu(Tp2Et)2的摻雜濃度高達5 wt%，然而，典型的SEL-WOLEDs中低能量的發光材料的摻雜濃度通常低于 1%。為了驗證體系的特殊性，該工作采用具有橙紅光發射的銥(III)配合物Ir(bt)2acac替代Eu(Tp2Et)2構建SEL-WOLEDs。此時，為了得到白光發射，必須将Ir(bt)2acac的摻雜濃度降低至0.1 wt%。以上對比器件表明在基于d-f躍遷稀土發光配合物構築的SEL-WOLEDs中，可能存在獨特的傳能過程。通過測試不同摻雜薄膜的光物理性質，該工作計算得到在相同摻雜濃度橙紅光配合物時，天藍光的Ce-TBO2Et向橙紅光的Eu(Tp2Et)2的傳能效率僅為20%，而向橙紅光的Ir(bt)2acac的傳能效率高達100%，所以在構建白光時，Eu(Tp2Et)2的摻雜濃度遠大于Ir(bt)2acac的摻雜濃度，使得器件制備的可控性和可操作性提升。

圖3. 以Ce-TBO2Et、Eu(Tp2Et)2或/和Ir(bt)2acac為發光材料的摻雜薄膜的激發與發射光譜，以及雙組分摻雜膜mCP:Ce-TBO2Et:Eu(Tp2Et)2和mCP:Ce-TBO2Et:Ir(bt)2acac中的傳能機理與效率示意圖。

綜上，該工作基于天藍光铈(III)配合物Ce-TBO2Et和橙紅光铕(II)配合物Eu(Tp2Et)2制備了目前性能最好的d-f躍遷稀土發光配合物的天藍光、橙紅光和白光OLEDs。在SEL-WOLEDs的探索中發現，d-f躍遷稀土發光配合物作為發光材料時，主體材料不參與傳能過程，這可以簡化器件中的傳能過程。除此之外，由于d-f躍遷稀土發光配合物之間傳能效率較低，這也有利于提高低能量的發光材料的摻雜濃度，從而實現制備工藝的可控。該工作展現了d-f躍遷稀土發光配合物作為發光材料在SEL-WOLEDs領域的獨特發展潛力。

劉志偉研究員為該論文的通訊作者，beat365beat365的博士研究生方培玉和霍培昊為該論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心的資助與支持。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01211-5