有機發光二極管（OLEDs）具有全固态、主動發光、高對比度、低功耗、寬視角、響應速度快和易于實現柔性等優點，被認為是最有前景的新型顯示和照明技術之一。傳統稀土配合物OLEDs是利用中心三價稀土離子f-f躍遷的特性，從而實現高色純度、高效率發光。然而，相比于金屬磷光配合物（如Ir(III)配合物）和熱激活延遲熒光（TADF）材料在這一領域的迅猛發展，稀土配合物OLEDs的發展相對緩慢且落後。其根本原因在于這一類配合物往往熱穩定性較差，不利于真空熱蒸鍍法制備器件。此外，f-f禁阻躍遷導緻配合物具有較長的本征激發态壽命（ms量級），使得器件在高亮度下效率衰減明顯。這些因素嚴重限制了稀土配合物發光材料在OLEDs領域的研究和應用。
近日，本課題組另辟蹊徑，提出并證明了具有d-f允許躍遷特性的稀土Eu(II)配合物可以通過合理的分子結構設計實現高空氣/熱穩定性和高發光效率，以及這類材料應用于OLEDs時具有接近100%的激子利用率和高亮度下較低的效率衰減。
圖1 稀土Eu(II)配合物Eu-1和Eu-2的化學結構式、紫外燈下的發光照片，以及光緻發光光譜
在這項工作中，作者首先設計合成了兩種Eu(II)配合物Eu-1和Eu-2。在紫外燈的激發下它們分别發射出明亮的天藍色光和橙色光。單晶數據表明Eu-1中的三氟甲基環繞在亞铕離子周圍，氟原子對亞铕離子産生配位作用。Eu-1中的亞铕離子被配體更完全地覆蓋，可以有效地阻礙空氣中的氧氣将其氧化。因此Eu-1在空氣中的穩定性遠超出一般亞铕配合物。Eu-1的結晶粉末可以在空氣中放置2200 h後仍保持91%的量子産率（PLQY），Eu-1純薄膜在空氣中放置2400 h後PLQY從初始值71%衰減到58%，對比Eu-2的結晶粉末在空氣中放置10 h即觀察不到發光，而Eu-2的純薄膜在接觸空氣後立即被氧化。
圖2 配合物Eu-1和Eu-2的分子模拟優化結構
進一步地，作者優化并制作了以Eu-1和Eu-2為發光材料的OLEDs，得到了最大外量子效率（EQE）分别為0.75%和6.5%，最大亮度分别為23 cd·m-2和30620 cd·m-2的器件。Eu-1器件表現較差的原因歸結于該器件具有非常低的電流密度。Eu-2器件具有低的效率滾降，得益于亞铕配合物d-f躍遷所具有的短激發态壽命。考慮到Eu-2的PLQY僅有32%，因此器件所表現出來的6.5%最大EQE已經接近理論上限，即證明了亞铕配合物作為OLEDs的發光材料可以實現近100%的激子利用率。
圖3 配合物Eu-1和Eu-2分别制備的OLED結構示意圖及電緻發光數據表現
總結起來，作者設計合成的這一類基于d-f躍遷亞铕配合物可以具有高PLQY和良好的空氣穩定性，也可以在OLEDs中實現100%的激子利用率和較低的效率滾降。這表明基于d-f躍遷的稀土配合物作為發光材料在OLEDs領域具有巨大的研究價值和廣闊的應用前景，使稀土材料在OLED領域中的應用煥發了又一春。
恭喜戰鴿同學、王李玎同學和趙子豐博士！
