關(guān)西學院大學的畠田琢次教授和JNC株式會社的子公司--JNC石油化學株式會社的合作研發(fā)小組成功開發(fā)了一款用于色純度超過量子點和LED的有機顯示屏的藍色發(fā)光材料。

需要開發(fā)出具有色純度和發(fā)光效率都極佳的OLED顯示屏發(fā)光材料；

靈活運用氮和硼的特性，成功研發(fā)出了色純度超過氮化鎵（Gallium）系列LED和鎘（Cadmium）系列量子點的有機系列藍色發(fā)光材料（ν-DABNA）。

有望實現(xiàn)有機EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍光的降低等。

有機EL（OLED）顯示屏作為代替液晶顯示屏的新型顯示技術(shù)，其實用化正逐步被推進。但是，有機發(fā)光材料具有發(fā)光的色純度低（發(fā)光光譜較寬）的缺點。如果色純度較低，應用于顯示屏時，就需要利用光學過濾器（Filter）從發(fā)光光譜（Spectre）中除去不必要的顏色，提高色純度，結(jié)果就會導致顯示屏的亮度、發(fā)光效率大幅度降低。另外，通過濾光片提高色純度仍是有限的，因此，存在難以提高顯示屏色域的問題，需要開發(fā)出一款色純度較高的發(fā)光材料。

畠田教授及其研發(fā)小組在發(fā)光分子的合適位置導入2個硼、4個氮，再加上共振效果的作用，成功控制了導致發(fā)光光譜較寬的原因－－即伸縮震動，并成功研發(fā)出了色純度超過氮化鎵（Gallium）系列LED和鎘（Cadmium）系列量子點的有機系列藍色發(fā)光材料（v- DABNA）。

研發(fā)小組在2016年成功研發(fā)了DABNA，也就是ν- DABNA的原型（Prototype），并成功應用于高端智能手機的有機EL顯示屏上。此次開發(fā)的ν- DABNA的色純度、發(fā)光功率都遠遠超過DABNA，有望實現(xiàn)有機EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍光的降低等。

此次研發(fā)成果于2019年7月15日（英國時間）公開于英國科學雜志《Nature Photonics》的網(wǎng)上速報版。

研究背景及過程：

與液晶顯示屏相比，有機EL（OLED）顯示屏具有優(yōu)秀的對比（Contrast）度、無視角限制、反應速度快等優(yōu)勢，在智能手機、電視、工業(yè)顯示屏方面有廣泛的應用。作為用于有機EL顯示屏的發(fā)光材料，熒光材料、磷光材料、熱活性化延遲熒光（TADF）材料這3種材料可以作為有機系列發(fā)光材料來使用，然而都存在半峰全寬(Full Width at Half Maxima)較大、色純度較低的問題。

一般情況下，顯示屏的發(fā)光是通過混合光的三種原色紅、綠、藍來顯示各種各樣的顏色，如果其色純度較低的話，就有可能出現(xiàn)無法再現(xiàn)顏色的問題，顯示屏的畫質(zhì)（顏色再現(xiàn)性）也會降低。市場上銷售的有機EL顯示屏一般是通過光學過濾器（Filter）把不需要的光從發(fā)光光譜中除去，提高色純度（也就是降低光譜的寬度）后再使用。此時，如果原始光譜的寬度較寬的話，被除去的光的比例也會增加，就會出現(xiàn)顯示屏亮度、發(fā)光效率大幅度降低的問題。而且，通過濾光片提高的色純度是有限的，因此也存在難以提高顯示屏色域的問題，所以亟待開發(fā)出一款色純度較高的發(fā)光材料。此外，在此背景下，作為代替有機EL的技術(shù)，采用了氮化鎵（Gallium）系列發(fā)光二極管（Diode）（LED）的micro-LED、采用了鎘（Cadmium）系列量子點的QD-OLED的研發(fā)正在如火如荼地進行著。

研究內(nèi)容：

迄今為止，作為有機EL的藍色發(fā)光材料，一直采用的是發(fā)光效率高的多環(huán)式芳香族碳氫化合物（Hydrocarbon）類的嵌二萘（Pyrene）、二萘嵌苯（Perylene）的誘導體，但是帶來了半峰全寬(Full Width at Half Maxima)為40nm左右的發(fā)光光譜的問題（參考下圖 左），其原因在于HOMO、LUMO分別主要存在于不同的碳原子之間，伴隨著發(fā)光，從激發(fā)單重態(tài)（Singlet）（S1）到基態(tài)(Ground State)（S0）遷移時（S1→S0遷移，相當于從LUMO到HOMO的電子遷移）時，碳原子之間的電子密度變化極大。由于S1→S0的遷移，碳原子之間的密度變大的話，碳原子之間的活動力也會發(fā)生變化，雖然也會伴隨著碳-碳結(jié)合的伸縮震動，根據(jù)其震動的能量（Energy）（1300-1700cm-1），發(fā)光光譜的寬度增加。另一方面，關(guān)于v-DABNA，由于硼和氮的的多重共振效果，HOMO和LUMO分別局部分布于不同的碳原子上，由于幾乎不存在因S1→S0遷移而產(chǎn)生的碳原子之間的電子密度的變化，所以也沒有伸縮震動（參考右圖）。S1→S0的遷移雖然會產(chǎn)生分子整體的扭曲（扭轉(zhuǎn)）震動，但由于其震動的能量（Energy）極其微小（~20cm-1），所以顯示了半峰全寬為14-18nm的極其窄的發(fā)光光譜。另外，v-DABNA具有優(yōu)秀的TADF特點，在實用輝度（300cdm-2）方面，具有遠遠超過以往的藍色粒子的外部量子發(fā)光效率的30%。

今后方向：

此次研發(fā)的v-DABNA兼具超過氮化鎵系列LED和鎘（Cadmium）系列量子點的色純度、最高水準的功率，為此，有望實現(xiàn)有機EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍光的降低。此外，關(guān)于市場上銷售的顯示屏，如何提高藍色發(fā)光素子的性能是其“瓶頸（Bottle Neck）”。為此，通過合理優(yōu)化素子構(gòu)造、生產(chǎn)工藝，有望今后可以降低顯示屏的成本。通過此次研究確立的分子設計，今后也會開發(fā)出更多具有優(yōu)秀特性的發(fā)光材料。

名詞術(shù)語解釋：

DABNA

“Ultrapure Blue Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecules: Efficient HOMO–LUMO Separation by the Multiple Resonance Effect”（超高純度藍色活性化延遲熒光材料：通過多重共振效果有效分離HOMO-LUMO）Adv. Mater. 2016, 28, 2777. doi:10.1002/adma.201505491

熱活性化延遲熒光（TADF材料）

TADF材料是一種熒光材料，它可以有效地從三重態(tài)激發(fā)轉(zhuǎn)換為單重激發(fā)，理論上可以把所有的電轉(zhuǎn)換為光，而且，它還有一個優(yōu)點，那就是不像磷光材料一樣采用銥（Iridium）、鉑（Platina）等稀有元素。TADF材料是由安達 千波教授（九州大學 最尖端有機光電研究中心）及其小組發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在日本國內(nèi)外研究人員正以安達教授為中心積極研究。

半峰全寬值(Full Width at Half Maxima)

也被稱為“半寬度、半峰寬”，是計算山形函數(shù)的寬度的標準。此處，指的是發(fā)光光譜中的發(fā)光強度的最大值的1/2值處的光譜的寬度（全寬）。市場上銷售的有機EL顯示屏的藍色光源采用的是半峰全寬值相對較窄的熒光材料。

HUMO

被電子占據(jù)的某些分子軌道中能量（Energy）最高的軌道--最高被占軌道（Highest Occupied Molecular Orbital）的縮略語。比下文提到的LUMO的能量水平稍低。有機EL素子處于不穩(wěn)定狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），也就是電子從HOMO遷移到LUMO的狀態(tài)，電子從LUMO遷移到HOMO時（即安定的狀態(tài)），產(chǎn)生光。在激發(fā)狀態(tài)，由于占據(jù)分子軌道的電子成為一體，所以被稱為半占軌道（SOMO：Singly Occupied Molecular Orbital）。

LUMO

沒有被電子占據(jù)軌道的某些分子軌道中的能量最低的的軌道--即最低空軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）的縮寫。在激發(fā)狀態(tài)下，占據(jù)分子軌道的電子成為一體，所以是半占軌道（SOMO）。

外部量子功率

在光電變換素子（有機EL、發(fā)光二極管--LED等）中使用的效率的指標之一。通過由外部注入的電子數(shù)量和向外部釋放的光量子數(shù)量在單位時間內(nèi)的比來表示。在有機EL 中，由于素子的構(gòu)成不同，數(shù)值會有所不同；一般，熒光素子為~10%，磷光素子和TADF素子為~30%。由外部注入的電子數(shù)量和素子內(nèi)部發(fā)生的光量子數(shù)字的比被稱為“內(nèi)部量子功率”，磷光素子和TDAF素子可以達到100%。由于不可能從面板（Panel）的前面提取所有的產(chǎn)生的光，所以顯示屏的外部量子功率遠遠低于內(nèi)部量子功率。外部量子功率=內(nèi)部量子功率*光的提取率。