圓偏振有機發光二極管(Circularly Polarized Organic Light-emitting Diode, CP-OLED)能夠直接在電激發下高效地發射圓偏振光,在通信編碼、光學防偽和 3D 顯示等領域具有廣闊的應用前景。電致發光不對稱因子(|gEL|)被視為評估 CP-OLEDs 性能的關鍵指標之一。為了提高 |gEL| 值,手性金屬配合物、手性有機小分子和手性有機聚合物等多種類型的電致發光層材料已被成功開發報道。然而,目前大多數 CP-OLEDs 的|gEL| < 10-2,這嚴重限制了其實際應用。因此,實現 CP-OLEDs 中高的電致發光不對稱因子仍是一項重大挑戰。與傳統材料相比,膽甾型液晶(Cholesteric liquid crystal, CLC)在分子水平上表現出周期性的螺旋排列,具有優異的手性放大能力。然而,它們固有的軟物質特性對刺激(光、電、熱、機械力等)的高敏感性限制了它們在 CP-OLEDs 中的應用。
近日,南京大學成義祥教授、南京郵電大學張宇博士在《Angew, Chem.Int. Ed》期刊上發表了題為“Chiral Co-Assembled Liquid Crystal Polymer Network Enabled by In-Situ Photopolymerization for High-Performance CP-OLEDs” 的論文。為克服膽甾相液晶材料在圓偏振電致發光器件應用中存在的本質缺陷,他們提出了一種簡便高效的原位光聚合策略構建了剛性膽甾相液晶聚合物網絡 (ChLC-PN),創新性地開發了一類用于 CP-OLEDs 的新型電致發光層材料。該團隊設計并合成了一類紫外光活性的室溫向列相液晶LCM,在該液晶主體基質中引入手性誘導劑 R/S-Cz 后得到了具備膽甾相液晶特征的手性共組裝體ChLC-MF。隨后,原位光聚合ChLC-MF 可得到剛性膽甾相液晶聚合物網絡 ChLC-PN。該策略不僅保留了CLC 本身的周期性螺旋結構,還賦予了ChLC-PN 優異熱穩定性、耐溶劑性和機械加工性,能夠成功地應用于CP-OLEDs 實現圓偏振電致發光。
圖1 (a) LCM、R/S-Cz 的分子結構式;(b) ChLC-MF 的手性共組裝過程;(c) ChLC-PN 的原位光聚合過程;(d) CP-OLEDs 的制造及器件結構。
在ChLC-PN體系中, (R/S-Cz)0.01-(LCP)0.99 表現出最優的圓偏振發光性能,最大的光致發光不對稱因子 (|glum = 0.033|)。相比于原位光聚合處理前的手性共組裝體(R/S-Cz)0.01-(LCM)0.99,其不僅保持了優異的手性光學性質,而且能夠耐受 120 ℃ 高溫處理,這很好地匹配了光電器件制造過程中所必須經歷的高溫苛刻條件。將原位光聚合得到的膽甾相液晶聚合物網絡 (R/S-Cz)0.01-(LCP)0.99 作為 CP-OLEDs 的電致發光層材料成功地實現了天藍色的圓偏振電致發光,具有高的電致發光不對稱因子 (|gEL = 0.012|)。
圖2. (R/S-Cz)0.01-(LCM)0.99 和 (R/S-Cz)0.01-(LCP)0.99 120 ℃ 退火后的 (a) CD 光譜圖; (b) CPL 光譜圖和 (c) glum 值曲線圖。
圖3. (a) 器件能級圖;基于 (R/S-Cz)0.01-(LCM)0.99 器件的(b) CP-EL 光譜圖和 (c) gEL 曲線圖。
該研究開創性地采用剛性膽甾相液晶聚合物網絡 (ChLC-PN) 構建電致發光層材料。這種納米尺度的膽甾相液晶聚合物網絡不僅保持了優異的手性放大效應,同時突破了傳統液晶發光材料在溶液加工性和熱穩定性等方面的限制,為未來 CP-OLEDs的研究提供了新的思路,注入了新的活力。該工作在南京大學成義祥教授、南京郵電大學張宇博士的指導下完成,文章第一作者是南京大學在讀博士研究生付春亞,該研究得到了南京大學生命分析化學全國重點實驗室、國家自然科學基金的支持。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202512257
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