Dans ce travail, les auteurs ont démontré une efficacité quantique externe (EQE) élevée dans des diodes électroluminescentes organiques (OLED) bleu foncé basées sur un nouveau complexe de cérium(III) Ce-1 comme émetteur, qui peut atteindre 100 % d'efficacité d'utilisation des excitons (EUE). Couplé à sa courte durée de vie à l'état excité, spectre d'émission réglable, et à faible coût, le complexe de cérium(III) a le potentiel de développer des OLED bleu foncé avec une efficacité élevée et une stabilité à long terme, et aussi pour s'étendre dans le domaine des OLED en couleur.

Par rapport aux technologies d'affichage traditionnelles, les diodes électroluminescentes organiques (OLED) présentent de nombreux avantages, comme un contraste élevé, coloré, grand angle de vue, poids léger, la flexibilité, etc. Jusqu'à maintenant, Les OLED ont été commercialisées avec succès sur le marché de niche de l'affichage et font maintenant l'objet de recherches intensives pour d'autres applications, comme l'éclairage à semi-conducteurs.

Au cours des trois dernières décennies, fluorescence, phosphorescence, fluorescence retardée activée thermiquement (TADF), et des matériaux à radicaux organiques ont ensuite été appliqués comme émetteurs en raison de la poursuite d'un rendement élevé, stabilité à long terme, et des OLED à faible coût. En tant que nouveau type d'émetteur dans les OLED, les complexes de cérium(III) présentent de nombreux avantages potentiels. D'abord, les auteurs proposent que l'efficacité d'utilisation des excitons théoriques (EUE) pourrait atteindre 100 % puisque le complexe de cérium(III) présente une transition doublet 5d-4f à partir de l'électron unique du centre des ions de cérium(III) (configuration 4f1). plutôt qu'une transition singulet et/ou triplet, qui ne sera pas limité par les statistiques de spin.

Seconde, Les complexes de cérium(III) devraient être plus stables dans les OLED puisque leur durée de vie à l'état excité est généralement de quelques dizaines de nanosecondes. Troisième, les complexes de cérium(III) sont des émetteurs bleus ou ultraviolets inhérents, comme le montre la littérature, bien que leurs couleurs d'émission puissent être théoriquement affectées par le champ de ligand. De plus, les complexes de cérium (III) sont peu coûteux car l'abondance de cérium dans la croûte terrestre est de 0,006 % en poids, qui est de quatre ordres de grandeur supérieur à celui de l'iridium (0,0000001 % en poids) et même légèrement supérieur à celui du cuivre (0,005 %). D'où, le complexe de cérium(III) a le potentiel de développer des OLED bleu foncé à haut rendement, stabilité à long terme, et à faible coût.

Cependant, la plupart des complexes de cérium(III) rapportés sont non émissifs car les ligands classiques et les molécules de solvant éteignent la luminescence des ions cérium(III) lors de la coordination. D'où, les études d'électroluminescence sur les complexes de cérium(III) sont très rares, et leurs avantages n'ont pas été démontrés. À ce jour, il n'y a que trois exemples d'étude par électroluminescence de complexes de cérium(III) dans la littérature. Parmi ces exemples, l'efficacité quantique externe maximale (EQE) du meilleur résultat est inférieure à 1%. En tant que percée, les auteurs rapportent un nouveau complexe de cérium(III) neutre Ce-1 avec des ligands scorpionates rigides montrant un rendement quantique de photoluminescence (PLQY) élevé jusqu'à 93% dans un film dopé et par conséquent un EQE moyen élevé de 12,4% dans les prototypes OLED.

Le complexe Ce-1 a été synthétisé par agitation de potassium hydrotris(3, 5-diméthylpyrazolyl)borate (KTpMe 2 ) avec Ce(CF 3 DONC 3 ) 3 en tétrahydrofurane (THF), accompagnée d'une hydrolyse due à une trace d'eau dans le solvant. Grâce à la coordination chélatante des deux ligands rigides multidentés, l'ion cérium(III) central est efficacement protégé de l'influence de la trempe environnementale. La poudre Ce-1 émet une lumière bleu foncé, et le spectre montre l'émission typique à double pic d'ions cérium(III) avec une durée de vie à l'état excité de 42 nanosecondes. Le PLQY de sa poudre est aussi élevé que 82%.

Quant à la propriété d'électroluminescence de Ce-1, cet article utilise d'abord le BCPO bipolaire comme matériau hôte. En testant le PLQY et le rapport d'orientation de la couche émettrice (BCPO:Ce-1), et l'EQE de l'appareil, l'EUE de Ce-1 dans le dispositif est déduit jusqu'à 100 %. Ensuite, cet article utilise le TSPO1:CzSi comme matériau hôte pour augmenter considérablement le PLQY du film dopé à 93%, et enfin l'EQE maximum de l'appareil optimisé atteint 14% avec la luminosité maximum de 1008 cd m ^-2 . Les coordonnées de la Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) de cet appareil sont (0.146, 0,078).

Dans ce document, les mécanismes de la photoluminescence et de l'électroluminescence sont également étudiés. D'abord, la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE) de la poudre de Ce-1 a confirmé que Ce-1 est paramagnétique. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) montrent également que le donneur et l'accepteur pour la première transition autorisée par la symétrie étaient reconnus comme les orbitales 4f et 5d de l'ion cérium(III) central. La durée de vie à l'état excité de dizaines de nanosecondes et le double pic d'émission avec une différence d'énergie d'environ 2000 cm ^-1 indiquent également que la lumière bleu foncé provient de la transition doublet 5d-4f de l'ion cérium(III). En comparant le spectre d'électroluminescence du dispositif avec le spectre de photoluminescence du film dopé correspondant, et le spectre d'électroluminescence transitoire, on en déduit que la recombinaison des porteurs se produit sur le complexe Ce-1 au lieu du matériau hôte. Sur la base d'une analyse plus approfondie de la tension d'activation de l'appareil et de la bande interdite entre le ligand et l'ion central, cet article conclut que les ions cérium(III) peuvent capturer directement des électrons/trous pour former des excitons doublet et émettre une lumière bleu foncé.