白光有机发光二极管（WOLEDs）具有亮度高、功耗低、响应速度快、超薄质轻及可柔性化等优点，在显示背光源和照明领域具有广阔的应用前景。其中，单发光层WOLEDs（SEL-WOLEDs）因为器件结构简单而受到广泛关注。典型的SEL-WOLEDs的发光涉及到发光层中主体材料与发光材料的传能以及不同能量的发光材料之间的传能，复杂的传能过程的调控增大了器件设计的难度。不仅如此，发光能量较低的材料往往需要以极低且精确的浓度（＜1%）掺杂在发光层中，这也增大了器件制备的难度。

减少发光层中能量传递通道理论上是简化SEL-WOLEDs器件设计的一种新策略。近年来，刘志伟研究员团队发现d-f跃迁稀土发光配合物作为发光材料应用于有机发光二极管（OLEDs）时主体材料不参与能量传递过程（Light Sci. Appl., 2020, 9, 157; Nat. Commun., 2020, 11, 5218），可以有效地减少能量传递通道。除此之外，他们还提出并证明d-f跃迁稀土发光配合物应用于OLEDs时具有诸多优势，如理论效率高、激发态寿命短、发光颜色可调和成本低等（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202302192; Mater. Horiz., 2023, 10, 625; Cell Rep. Phys. Sci., 2022, 3, 101107; Natl. Sci. Rev., 2021, 8, nwaa193; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19011）。所以，d-f跃迁稀土发光配合物在SEL-WOLEDs中的应用潜力非常值得探索。

近日，北京大学化学与分子工程学院的刘志伟研究员在Light: Science & Applications杂志上发表了题为“Lanthanide complexes with d-f transition: new emitters for single-emitting-layer white organic light-emitting diodes”的论文，该工作合成了具有d-f跃迁发光性质的天蓝光发射的铈(III)配合物Ce-TBO2Et和橙红光发射的铕(II)配合物Eu(Tp2Et)2，利用两种发光材料构建的SEL-WOLEDs发光效率高且发光颜色稳定。研究表明，主体材料不参与传能过程且低能量的橙红光材料的质量掺杂浓度可高达5 wt%，体现了d-f跃迁稀土发光配合物应用于SEL-WOLEDs时可简化传能过程和器件制备工艺的优势。

图1. 天蓝光发射的铈(III)配合物Ce-TBO2Et和橙红光发射的铕(II)配合物Eu(Tp2Et)2的合成与结构示意图。

在电致发光性能的探究中，该工作首先制备了天蓝光和橙红光OLEDs，随后制备了SEL-WOLEDs，最后探究了器件的传能机理。通过主体材料的筛选，9,9'-(1,3-苯基)二-9H-咔唑（mCP）被选定为Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2的主体材料。基于相同的器件结构（仅发光层不同），该工作制备了天蓝光器件B1和橙红光器件O1，发光层分别为mCP:Ce-TBO2Et（10 wt%）和mCP:Eu(Tp2Et)2（12 wt%），器件的最大外量子效率（EQE）分别为22.3%和11.1%，是目前性能最好的基于d-f跃迁稀土发光配合物的蓝光和红光OLEDs。

为了验证器件在电致发光过程中不涉及主体材料mCP的传能，该工作基于Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2制备了一系列单空穴器件，结果表明，器件B1和O1中的发光机理为空穴被发光材料捕获，随后与电子传输材料及主体材料传输的电子复合形成激子，实现发光。激子虽然不在主体材料mCP上形成，但是mCP可以传输电子，且其高能级可以避免能量从发光材料反传到mCP。

图2. 以Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2为发光材料的天蓝光OLEDs（B1）、橙红光OLEDs（O1）和SEL-WOLEDs（W1）的器件结构及性能曲线，器件Rx是以不同浓度橙红光发射的铱(III)配合物Ir(bt)2acac替代Eu(Tp2Et)2制备的参比器件。

将器件B1或O1中的Ce-TBO2Et或Eu(Tp2Et)2单组分掺杂的发光层替换为Ce-TBO2Et和Eu(Tp2Et)2双组分共同掺杂的发光层可以制备得到SEL-WOLEDs（器件W1），即用天蓝光和橙红光复合实现白光发射。随着发光亮度的提升，器件W1的发光颜色基本不变，且性能介于器件B1和O1之间，最大EQE为15.9%。  

器件W1中低能量的发光材料Eu(Tp2Et)2的掺杂浓度高达5 wt%，然而，典型的SEL-WOLEDs中低能量的发光材料的掺杂浓度通常低于 1%。为了验证体系的特殊性，该工作采用具有橙红光发射的铱(III)配合物Ir(bt)2acac替代Eu(Tp2Et)2构建SEL-WOLEDs。此时，为了得到白光发射，必须将Ir(bt)2acac的掺杂浓度降低至0.1 wt%。以上对比器件表明在基于d-f跃迁稀土发光配合物构筑的SEL-WOLEDs中，可能存在独特的传能过程。通过测试不同掺杂薄膜的光物理性质，该工作计算得到在相同掺杂浓度橙红光配合物时，天蓝光的Ce-TBO2Et向橙红光的Eu(Tp2Et)2的传能效率仅为20%，而向橙红光的Ir(bt)2acac的传能效率高达100%，所以在构建白光时，Eu(Tp2Et)2的掺杂浓度远大于Ir(bt)2acac的掺杂浓度，使得器件制备的可控性和可操作性提升。

图3. 以Ce-TBO2Et、Eu(Tp2Et)2或/和Ir(bt)2acac为发光材料的掺杂薄膜的激发与发射光谱，以及双组分掺杂膜mCP:Ce-TBO2Et:Eu(Tp2Et)2和mCP:Ce-TBO2Et:Ir(bt)2acac中的传能机理与效率示意图。

综上，该工作基于天蓝光铈(III)配合物Ce-TBO2Et和橙红光铕(II)配合物Eu(Tp2Et)2制备了目前性能最好的d-f跃迁稀土发光配合物的天蓝光、橙红光和白光OLEDs。在SEL-WOLEDs的探索中发现，d-f跃迁稀土发光配合物作为发光材料时，主体材料不参与传能过程，这可以简化器件中的传能过程。除此之外，由于d-f跃迁稀土发光配合物之间传能效率较低，这也有利于提高低能量的发光材料的掺杂浓度，从而实现制备工艺的可控。该工作展现了d-f跃迁稀土发光配合物作为发光材料在SEL-WOLEDs领域的独特发展潜力。

刘志伟研究员为该论文的通讯作者，北京大学化学与分子工程学院的博士研究生方培玉和霍培昊为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心的资助与支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01211-5