基于无陷阱超荧光的纯蓝单层有机发光二极管实现高效稳定发光

研究人员针对蓝光有机发光二极管(OLED)存在的色纯度差、稳定性低等问题，通过开发基于热激活延迟荧光(TADF)敏化剂的无陷阱超荧光系统，成功实现了单层结构的纯蓝光OLED。该研究揭示了能量无序化对消除终端发射体电荷陷阱的关键作用，器件外量子效率(EQE)达25%，功率效率(PE)达50 lm W-1，工作寿命LT50达716小时，为简化器件结构同时提升性能提供了新思路。

　　

在显示技术领域，有机发光二极管(OLED)已成为高端显示器的核心技术，但蓝光OLED的性能始终落后于绿光和红光器件。传统蓝光荧光材料受限于仅能利用单重态激子的效率瓶颈，而磷光材料虽能实现三重态 harvesting（收获）却面临稳定性差的困境。热激活延迟荧光(TADF)材料作为新兴解决方案，虽能同时利用单重态和三重态激子，但仍存在发射光谱过宽、色纯度不足等问题。更严峻的是，为实现窄谱发射而引入的超荧光(hyperfluorescence)系统，往往因终端发射体的能隙较小导致电荷陷阱，进而引发效率下降、工作电压升高和稳定性恶化等多重问题。

Max Planck Institute for Polymer Research的研究团队在《Nature Materials》发表突破性研究，通过巧妙利用TADF敏化剂的能量无序特性，成功开发出无电荷陷阱的单层纯蓝超荧光OLED。该器件采用DBA-DI作为TADF敏化剂，mCBP-CN为主体材料，添加2%窄谱发射体v-DABNA构成单层发光结构。研究发现，尽管v-DABNA的能隙小于敏化剂，但由于DBA-DI传输态的高能量无序度（电子σ=0.14 eV，空穴σ=0.12 eV），使有效陷阱深度E_t,eff降为零，完全避免了电荷陷阱效应。这种"无陷阱超荧光"机制使得终端发射体仅通过能量转移参与发光，不影响电荷传输特性。

研究采用的关键技术包括：单层器件结构设计、温度依赖的电荷传输测量、多尺度态密度(DOS)模拟、电致发光光谱分析和加速老化寿命测试。通过精确调控DBA-DI在mCBP-CN中的掺杂浓度(20%-50%)，实现了平衡的电荷传输。3 nm TPBi隧穿层的引入确保了欧姆接触，而PEDOT:PSS:PFI空穴注入层提供了匹配的功函数。

电荷传输与能量无序效应
研究发现纯DBA-DI薄膜呈现空穴主导传输特性，而将其掺杂到mCBP-CN基质中后，电子传输得到显著改善。令人惊讶的是，添加2% v-DABNA后，电子和空穴电流密度几乎不受影响，这与传统陷阱理论预测相矛盾。通过扩展高斯无序模型计算表明，DBA-DI的σ²/2kT值达0.28 eV(空穴)和0.38 eV(电子)，使v-DABNA的能级完全落入敏化剂的传输态分布范围内，形成零有效陷阱深度的独特状态。

器件性能突破
单层超荧光OLED展现出卓越性能：电致发光峰值475 nm，半高宽仅22 nm，色坐标(0.12,0.27)。25% DBA-DI掺杂器件启亮电压仅2.5 V(1 cd m^-2)，最大EQE达25%，功率效率51 lm W^-1。更重要的是，在1,000 cd m^-2初始亮度下，LT₅₀寿命达716小时，远超同类多层超荧光器件。对照实验证实，不含DBA-DI的v-DABNA器件因严重电荷陷阱导致性能急剧下降，凸显了TADF敏化剂的关键作用。

稳定性机制分析
研究表明器件退化主要源于TADF敏化剂阴离子态的化学不稳定性。通过选用电子传输性主体mCBP-CN，使电子分布部分转移到主体分子上，显著提升了操作稳定性。相反，使用不参与电子传输的主体(如mCBP)时，器件寿命骤降至9小时。值得注意的是，v-DABNA仅通过单重态能量转移参与发光，不涉及电荷捕获过程，因此不影响器件的本征稳定性。

这项研究通过揭示能量无序对消除电荷陷阱的物理机制，成功将单层OLED的结构优势与超荧光的窄谱特性相结合。所提出的"无陷阱超荧光"概念具有普适意义，为开发高效稳定的纯蓝光OLED提供了新范式。器件的简化结构不仅有利于大规模生产，其拓宽的复合区还能有效降低激子-极化子相互作用，进一步提升稳定性。该工作对推动OLED技术在广色域显示、固态照明等领域的应用具有重要价值。