TADF有机发光晶体管中的界面杂化复合物形成

《Journal of Materials Chemistry C》：Interface exciplex formation in TADF organic light-emitting transistors

蓝发光TADF材料2CzPN掺杂至高 triplet 能量宿主DPEPO中，构建多层有机发光晶体管（OLET），发现10%掺杂浓度可优化电荷传输与发光性能，添加电子传输层导致发射光谱红移（570 nm处新峰）及界面激子形成。证实TADF材料在olets中通过界面工程调控发光特性。

　　近年来，有机电子材料因其独特的优势，在新一代光电子应用中受到广泛关注。这些材料不仅具备低成本的加工特性、轻量化以及可弯曲的特性，还能通过分子设计灵活调控其光学和电学性能。在柔性电子和可穿戴设备等领域，这些特性使得有机材料成为替代传统无机和CMOS系统的理想选择。然而，尽管有机发光二极管（OLEDs）在显示和照明技术中已实现商业化，其结构通常需要透明电极以提取光，这增加了设备的复杂性和成本。因此，研究者们开始探索更具潜力的替代方案，如有机发光晶体管（OLETs），这种器件结合了晶体管的开关特性和发光功能，具备平面结构，可以实现空间调制的发光，并有望简化像素集成的光电子组件设计。

在有机发光晶体管的研究中，热激活延迟荧光（TADF）材料因其能够通过逆系间窜越（rISC）机制同时捕获单重态和三重态激子，从而实现接近100%的内部量子效率，而无需依赖稀缺的重金属配合物，受到高度重视。TADF材料通常由给体和受体基团组成，使得单重态和三重态能级之间的差距减小，促进rISC过程，提高发光效率。与磷光材料相比，TADF材料不仅具有类似的发光效率，还降低了成本和对稀有元素的依赖，同时在蓝色光谱区域表现出更好的颜色稳定性。随着分子设计的不断进步，TADF材料在OLEDs中的性能已得到显著提升，其外部量子效率（EQE）可达到30%-40%，并且具有较窄的发射光谱。

尽管TADF材料在OLEDs中已广泛应用，但在OLETs中的应用仍处于初步探索阶段。OLETs作为兼具晶体管开关特性和发光功能的器件，具有独特的优势。例如，早期的实验表明，通过使用TADF激发态复合物（如TCTA:B3PYMPM），可以在OLETs中实现一定的发光性能，但其外部量子效率仍较低，仅为1%左右。近年来，研究者们尝试使用更先进的TADF材料，如4CzIPN和ACRXTN，以提高亮度和载流子调控能力。然而，这些材料在OLETs中的发光效率仍然受到光提取效率和电极附近光学损耗的限制。

本研究聚焦于一种名为2CzPN的蓝色TADF分子，并将其掺杂到具有高三重态能级的DPEPO宿主材料中，构建了不同结构的有机发光晶体管。通过调整掺杂浓度，研究人员发现当2CzPN的掺杂比例约为10%时，设备的性能达到最佳状态。在没有电子传输层的双层结构中，2CzPN表现出其固有的发光特性，即天空蓝光发射，其CIE 1931色坐标为（0.26, 0.50）。然而，当引入电子传输层（DFH-4T）时，设备的发光光谱发生了显著变化，主发射峰向红移（变为绿色发射，CIE 1931色坐标为（0.18, 0.38）），同时出现了一个新的光谱贡献，这被认为是由于在发光层与电子传输层界面处形成了激发态复合物（exciplexes）所致。这一现象表明，通过界面工程可以实现TADF材料在有机晶体管中的发光调控，从而为高性能、可调色的有机晶体管提供新的思路。

研究还探讨了不同结构对设备性能的影响。在双层设备中，由于缺乏电子传输层，发光主要来源于2CzPN分子的自身发光，而三重态激子的捕获和利用受到限制。然而，在三层结构中，电子传输层的引入不仅改善了载流子的传输效率，还促进了三重态激子的利用，使得设备的发光效率和亮度显著提高。此外，电子传输层的界面特性对光谱的调控起到了关键作用，例如，界面处的激发态复合物可以提供额外的发光路径，从而扩展设备的发光波长范围。这一发现对于开发具有更宽光谱范围和更高发光效率的有机晶体管具有重要意义。

在实验方法方面，研究团队采用了多种手段对材料和器件进行了表征。首先，通过旋涂法在玻璃基板上制备了PMMA作为介电层，随后通过热蒸发技术沉积了有机半导体材料和银电极。为了研究材料的光学性质，团队使用了自建的光谱系统，包括He-Cd激光器作为激发光源，以及IR2000光谱仪用于收集发射光。此外，通过原子力显微镜（AFM）对薄膜表面形貌进行了分析，以评估不同掺杂浓度对薄膜质量的影响。在电学性能方面，团队使用了Keysight B1500A半导体参数分析仪对器件进行了电学测试，并通过Hamamatsu S1337光电二极管测量了光输出强度。

研究结果表明，TADF材料在有机晶体管中的应用具有双重优势：一方面，它能够高效捕获三重态激子，提升内部量子效率；另一方面，通过调整界面结构，可以实现发光颜色的调控。在三层结构中，电子传输层的引入不仅优化了载流子的传输路径，还促进了界面处的激发态复合物形成，从而改变了设备的发光特性。这些发现表明，为了实现高性能、可调色的有机晶体管，需要在发射材料的设计和器件结构的优化之间找到平衡。

此外，研究还发现，材料的分子排列和界面特性对电学性能有重要影响。例如，当2CzPN的掺杂浓度增加时，其分子间的距离减小，这可能会通过Dexter能量转移机制导致非辐射途径的增强，从而降低发光效率。然而，在本研究中，通过合理设计材料的能级匹配和界面特性，研究人员成功地在三层结构中实现了高效的光发射和载流子调控。这种优化不仅提高了设备的发光效率，还拓展了其在不同颜色发射中的应用潜力。

在光谱分析方面，研究团队对不同结构的设备进行了详细研究。例如，双层设备的发射光谱与单层2CzPN薄膜的发射光谱相似，主要表现为天空蓝光。而在三层结构中，由于电子传输层的引入，设备的发射光谱发生了红移，并且出现了新的光谱贡献，这与界面处的激发态复合物形成密切相关。这种现象表明，TADF材料在有机晶体管中的发光特性可以通过界面工程进行调控，从而实现更广泛的颜色覆盖和更高的发光效率。

研究团队还对设备的外部量子效率（EQE）进行了分析。结果显示，当2CzPN的掺杂浓度在10%-15%之间时，设备的EQE达到最佳状态。这一结果与材料的光学特性和界面特性密切相关，表明在设计有机发光晶体管时，需要综合考虑材料的能级匹配、界面相互作用以及载流子传输效率。此外，研究团队还发现，尽管器件的ON/OFF比在一定程度上不受掺杂浓度的影响，但设备的发光性能却与掺杂浓度密切相关，这为未来进一步优化器件性能提供了方向。

综上所述，本研究展示了TADF材料在有机发光晶体管中的巨大潜力。通过合理设计材料的掺杂比例和器件结构，研究人员成功实现了高效且可调色的发光性能。这些成果不仅为有机发光晶体管的发展提供了新的思路，也为未来在可穿戴电子、柔性显示和其他光电子应用中的技术突破奠定了基础。随着材料科学和器件工程的不断进步，TADF材料有望在有机发光晶体管领域发挥更大的作用，推动新一代光电子技术的发展。