【Adv.Mater.】创纪录！醇溶性双极主体助力水/醇溶碳点电管LED实现高达13.04 cd A⁻¹发光效率
文章标题： Aqueous/Alcohol-Soluble Carbon Dot Light-Emitting Diodes
通讯作者： Zhan’ao Tan, Runnan Yu
引言
固体照明和平板显示构成了现代国民经济的重要支柱。在新型发光材料中，荧光碳点（CDs） 凭借其环境友好、溶液可加工性、可调发射光谱以及高光致发光效率，被视为下一代照明和显示技术的极具前景的替代品。通常，碳点通过水热法合成，具有极佳的水/醇溶解性。然而，由于缺乏合适的醇溶性主体材料，水/醇溶性碳点此前未能实现有效的电致发光。传统的主体材料通常针对有机LED开发，具有复杂的合成过程、较差的双极传输能力以及极低的醇溶解度，这阻碍了它们与醇溶性碳点的均匀分散。为了克服这一瓶颈，迫切需要量身定制匹配醇溶性碳点需求的主体材料，以充分释放其绿色加工的潜力。
Molecular design, synthesis, and theoretical calculation of 2PCT. (a) Design and synthesis of 2PCT and its analogue Cz-TRZ. (b) Cost comparison of 2PCT with conventional host materials in CD-based electroluminescent LEDs. (c) 1H NMR spectra of Cz, 2BrCz, and 2POCz. (d) ESP maps and µ of Cz-TRZ and 2PCT. (e) HOMO distributions of Cz-TRZ dimer and 2PCT dimer. (f) Sign(_λ_2)ρ colored isosurfaces of _δg_inter = 0.005 a.u. corresponding to the IGMH analysis of CzTRZ dimer and 2PCT dimer.
文章概要
主要实验及结论
研究团队巧妙设计并合成了一种醇溶性双极发光主体材料2PCT。通过在咔唑核心的3,6位引入具有大空间位阻和强极性的二乙基亚磷酸酯（DEP）基团，极大地增强了分子的极性以及与醇类溶剂的氢键作用，使得2PCT在乙醇中的饱和溶解度飙升至273.2 mg mL⁻¹。理论计算与微观形貌表征表明，DEP基团的引入不仅拉宽了材料的带隙、降低了能级，还通过位阻效应有效削弱了分子间的π–π堆积，从而将固态光致发光量子产率（PLQY）显著提升至62.64%，并能诱导形成均一的非晶态薄膜。UPS能级测试与瞬态荧光光谱证实，2PCT与发光碳点之间存在高效的费斯特共振能量转移（FRET），这不仅消除了纳米级相分离，还彻底抑制了碳点因聚集而导致的非辐射复合。
Intrinsic physical properties of 2PCT. (a) Variation of absorbance intensity with 2PCT concentration. The detected wavelengths were 325 nm. (b) Single carrier mobility of 2PCT measured by the SCLC method. (c) TGA curve of 2PCT. (d) DSC curves of 2PCT and Cz-TRZ. (e,f) AFM images of Cz-TRZ (e) and 2PCT (f). (g,h) UV–vis absorption and PL spectra of 2PCT and Cz-TRZ film (g), and 2PCT and Cz-TRZ in DCM solution (h). (i) PLQY and _k_r of Cz-TRZ and 2PCT in solid state and DCM solution.
Characterization of host-guest doping. (a) Comparative solubility analysis of 2PCT, PVK and G-CDs in chlorobenzene and ethanol, with 15 mg of solute and 3 mL of solvent. (b,c) AFM images of G-CDs (b) and 2PCT: G-CDs (c). (d,e) HOMO and LUMO energy levels of 2PCT (d) and G-CDs (e) determined by UPS. (f) The PL spectra of G-CDs, 2PCT, and 2PCT: G-CDs dissolved in ethanol. (g) TRPL spectra of G-CDs, 2PCT, and 2PCT: G-CDs in ethanol solution with different detection wavelengths.
利用2PCT作为主体材料并匹配水/醇溶性碳点客体，研究人员成功构筑了高电致发光性能的多色CD-LEDs器件。在最佳掺杂比例下，所制备的绿色、黄色和红色电致发光器件展现出了极低的启亮电压，其中黄色LED的启亮电压低至2.2 V，创下了碳点电致发光器件的最低纪录。更令人瞩目 margin的是，这些器件的最高亮度分别达到了8373、8401和12287 cd m⁻²，最高电流效率分别达到6.41、13.04和6.73 cd A⁻¹，刷新了乙醇加工碳点光电器件的性能最高 Benchmark。得益于2PCT优异的成膜性与碳点分散能力，团队还在空气环境中通过刮涂法成功制备了面积达16 cm²的大面积黄色发光器件，在连续运行下展现出杰出的色彩与器件稳定性。
Electroluminescent performance of CD-LEDs. (a) EL spectra of LEDs. The inset presents three photographs of working LEDs. (b) Current efficiency-current density (_η_c–J) characteristic curves of LEDs. (c) _L_max, _η_max, and _V_on statistics of LEDs. (d−f) EL spectra of LEDs measured at different times near the _L_max, with applied voltages of 8.0 V (d), 7.5 V (e), and 8.5 V (f), respectively. (g) The schematic diagram of blade-coating preparation of Y-LEDs in ambient air. (h) Y-LEDs in operation with a luminous area of 16 cm2.
总结及展望
本研究成功开发出一种集高醇溶性、双极电荷传输特性、高固态发光效率及优异成膜能力于一体的宽带隙主体材料2PCT，首次实现了水/醇溶性绿色碳点的电致发光。该工作不仅打破了传统主体材料不溶于极性醇类溶剂的限制，实现了多色碳点LED器件性能的跨越式提升，更为碳点光电器件的绿色制造与大面积空气中加工提供了全新的战略思路，对推动环保型固体照明与显示技术的发展具有革命性意义。