層を五つ取り除いたら、素子はむしろ良くなった

OLEDのスタックはなぜこんなに層が多いのか。答えはだいたい同じです。正孔注入層、正孔輸送層、電子ブロック層、発光層、正孔ブロック層、電子輸送層、そして陰極側にもう一つ。有機層だけで五層から六層になります。これらがやっているのは一つのことです。電子と正孔を同じくらいの速さで発光層に届け、生成した励起子を外に逃がさないことです。

誰も好きでやっているわけではありません。層が一つ増えるたびに評価すべき材料が増え、蒸着ソースが増え、電圧を失う異種接合が増えます。単層OLEDならもっと安く単純になり、界面が少ない分だけ安定という見方もできます。それでも誰も作らないのは、単一の有機膜で釣り合いのとれた両極性輸送を得るのが非常に難しいからです。

2024年のAdvanced Materialsに載ったSachnik、Ie、Ando、Tan、Blom、Wetzelaerらの論文は、この問題を構造ではなく輸送の側から解いています。結果は、多層素子を上回る単層素子でした。

問題は発光材料ではなかった

DMAC-BPはよく知られた緑色TADF発光材料です。まともな多層スタックなら性能は出ます。報告されている多層DMAC-BP素子の外部量子効率は18.9から21パーセントです。ところが単層で単独に使うと崩れます。この論文の純DMAC-BP単層素子はEQE 8パーセント、電力効率32 lm/Wにとどまりました。LUMO準位が低いため、純DMAC-BP膜に注入された電子が輸送されずにトラップされるからです。正孔はよく動きます。電子が動きません。再結合領域が片方の電極に寄り、効率も一緒に落ちます。

つまりこれは輸送の問題であって発光材料の問題ではありません。多層スタックはその問題を回避する手段でした。

著者らがやったこと

発光材料をホストに分散させました。ホストを選んだ基準はただ一つ、ほぼトラップのない電子輸送です。それが3CzTRZです。ジフェニルトリアジン骨格にカルバゾールを三つ付けた広いバンドギャップの有機半導体です。DMAC-BPと3CzTRZを40対60で混ぜると、電子は3CzTRZのネットワークを通り、正孔はDMAC-BPに残ります。同じ層の中でそれぞれのキャリアが自分の経路を持ち、その二つがちょうど釣り合います。

その瞬間、発光層は光るだけの受け身の膜ではなく、それ自体が釣り合いのとれた両極性半導体になります。そうなればブロック層に仕事は残らず、消してよいことになります。

数字

最適化した40対60の単層素子はEQE 19.6パーセントに達しました。報告されている多層DMAC-BP素子の範囲の中です。単純化の代償がなかったという意味で、まずここが重要です。

上回るのは電力効率です。最大82 lm/W、100 cd/m2で77.8 lm/Wで、多層の基準値52.9から59 lm/Wを超えます。差の大部分は電圧です。発光層に直接注入し、ブロック層による電圧の損がないため、1,000 cd/m2を2.95 Vで出します。5,000 cd/m2の高輝度でも41.7 lm/Wを保ちます。

一番驚いたのは寿命です。1,000 cd/m2でのLT50が40対60ブレンドで41時間。純DMAC-BPは10時間、非ドープ多層素子は4時間未満、一般的なホストドープ多層素子は約30分でした。製品基準ではどれも短い実験室素子ですが、順序が大事です。一番単純な素子が一番安定でした。トラップのない輸送は再結合領域を界面に固定せず広げ、広い再結合領域は励起子とポーラロンの局所密度を下げ、素子を壊す励起子ポーラロン消滅が減ります。

材料供給の立場から見て重要な理由

この十年、OLEDの論文で面白い分子はたいてい発光材料でした。ホストや輸送材料は、三重項準位さえ高ければよい汎用品として扱われてきました。この論文はその時代が終わりつつあることを示す一例です。ここではホストこそが素子が動く理由です。平凡なホストに替えれば、EQE 8パーセントと三十分の寿命が残ります。

トラップがないという性質は前提にできるものではありません。実際に基板に載った物質の純度次第です。こうした膜のトラップは本質的な準位ではなく不純物であることが多いからです。純度99.5パーセントではトラップがなく、99.0パーセントではトラップに支配されるホストは事実上別の製品であり、その差は普通の仕様書には出てきません。これは合成というより精製の問題で、私たちが時間を使っているのはそこです。

材料

この研究で使われた二つの材料を、昇華精製グレードで、グラムからキログラムまで、バッチごとのCoA付きで供給しています。緑色TADF発光材料のDMAC-BPと、トラップフリーホストの3CzTRZです。周辺スタック用のmCP、mCBP、Bepp2、TAPC、HAT-CN、LiQも扱っています。

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ハイライト全文はこちらです: https://www.lamko.co.kr/research-highlights/single-layer-trap-free-oled.html

論文: Sachnik, Ie, Ando, Tan, Blom, Wetzelaer, Advanced Materials 2024. DOI: 10.1002/adma.202311892