二价铕（Eu2+）配合物的电致发光突破

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

稀土是我国重要的战略资源，稀土元素（Ln）的5d-4f跃迁在多个领域中具有巨大吸引力。例如，5d-4f跃迁发光机制的独特性使二价铕（Eu²⁺）配合物在高性能有机发光二极管（OLED）中具有巨大潜力。与传统的f-f跃迁和其他当前使用的OLED发光材料，如磷光、热活化延迟荧光（TADF）和有机自由基发光材料相比，Eu²⁺配合物具有以下显著特点：i）激发态寿命短：5d-4f跃迁选律允许，寿命在纳秒量级，能显著减少激发态猝灭，从而达到更高的器件亮度和更低的效率滚降；ii）高激子利用率：Eu²⁺离子在4f⁶5d¹到4f⁷的跃迁属于开壳层电子跃迁，理论上可以利用100％的激子能量；iii）发光颜色可调：5d轨道能量受配体场影响，改变配位环境可轻易调节发射波长；iv）低成本：铕的地壳丰度为10^-6 wt％，远高于目前OLED商用发光材料所含的贵金属铱。因此，具有5d-4f跃迁性质的Eu²⁺配合物理论上是一类优异的OLED发光材料。然而，Eu²⁺配合物大都稳定性差、发光弱，目前对它们电致发光性质的研究也非常少。

图1. 四种大环Eu²⁺配合物的晶体结构和配位多面体结构。

利用大环配体的空间效应和配位相互作用，北京大学化学学院黄春辉院士课题组的刘志伟副教授等合成了四种大环Eu²⁺配合物EuX₂-N_n（X = Br, I; n = 4, 8）。值得注意的是，EuX₂-N₈配合物表现出接近100%光致发光量子产率、良好的空气/热稳定性和研磨变色性质（X = I）。经过结构优化后，最佳OLED器件表现出出色的性能，最大外量子效率（EQE）为17.7％，亮度为25470 cd•m^-2，可与具有主流发光材料（如磷光铱配合物和TADF分子）的OLED器件性能媲美。这一工作加深了对Eu²⁺配合物的光致发光和电致发光性质的理解，并证明了它们在OLED中的应用潜力。

图2. 基于Eu²⁺配合物的OLED器件结构示意图和性能曲线。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的共同第一作者是北京大学化学学院的李家毅、王李玎和赵子丰，通讯作者为刘志伟副教授。

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Highly efficient and air-stable Eu(II)-containing azacryptates ready for organic light-emitting diodes

Jiayi Li, Liding Wang, Zifeng Zhao, Boxun Sun, Ge Zhan, Huanyu Liu, Zuqiang Bian, Zhiwei Liu

Nat. Commun., 2020, 11, 5218, DOI: 10.1038/s41467-020-19027-x

刘志伟副教授简介

刘志伟，北京大学化学学院副教授，博士生导师。2003年本科毕业于华中师范大学化学学院，2008年获北京大学无机化学专业博士学位，2008-2011年先后在多伦多大学和南加州大学从事博士后研究。研究方向是金属配合物光电转换材料与器件，近年来的研究兴趣主要集中在稀土配合物发光材料与器件，以及锡基钙钛矿太阳能电池。在Science、Nat. Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文100余篇；撰写或参与撰写《金属配合物电致发光》（2019，科学出版社）、Topics in Organometallic Chemistry、The Future of Semiconductor Oxides in Next-Generation Solar Cells等专著。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49797

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们课题组一直致力于稀土配合物电致发光研究。理论上，d-f跃迁发光稀土配合物应用于OLED时具有最大100%激子利用率、器件稳定性高、发光颜色可调等优点。然而，其相关研究非常少。Eu²⁺配合物是典型的d-f跃迁发光稀土配合物，因此我们开展了Eu²⁺配合物电致发光研究。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：Eu²⁺配合物通常被认为是极不稳定的，容易被氧化。因此提高其动力学、热力学稳定性是一个巨大挑战，也是通向未来实际应用的必经之路。此外，d-f跃迁在电致发光领域方面的研究非常稀缺，难以对OLED器件结构设计、优化提供经验，因此我们在这方面也经历了很多挑战。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该成果证明以Eu²⁺配合物为代表的d-f跃迁在电致发光中有巨大潜力，最直接的影响是在OLED领域（显示、照明等）。此外我们也提供了可行的配合物设计策略来提高其稳定性，对于其他光致发光领域也会有启示和应用。