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Color-Purity narrow-band near-infrared (NIR) phosphors of [Ir(C^N)2(N^N)]-bis- heteroleptic and [Ir(C^N)(C’^N’)(N^N)]-tris-heteroleptic Ir(III)-complexes forward to high-performance (all)-solution-processed NIR-PLEDs

Diese Studie zeigt, dass asymmetrische tris-heteroleptische Ir(III)-Komplexe, spezifisch [Ir(dpbq)(iqbt)(ftrpz)], durch die Optimierung des Kompromisses zwischen Effizienz, Emissionsmaximum und Spektralbreite eine überlegene Farbreinheit der Nahinfrarot-Emission sowie rekordverdächtige externe Quanteneffizienzen in vollständig lösungsprozessierten NIR-PLEDs erreichen.

Ursprüngliche Autoren: Baowen Wang, Youquan Chen, Zhiming Zhang, Yu Chen, Xiaohui Yang, Sicheng Yao, Guorui Fu, Xingqiang Lü, Wai-Yeung Wong

Veröffentlicht 2026-08-12

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Baowen Wang, Youquan Chen, Zhiming Zhang, Yu Chen, Xiaohui Yang, Sicheng Yao, Guorui Fu, Xingqiang Lü, Wai-Yeung Wong

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Licht nicht nur hell oder farbenfroh sein muss, sondern auch unsichtbar für das menschliche Auge sein kann und dennoch kraftvoll genug ist, um in der Dunkelheit zu sehen, Gewebe zu heilen oder geheime Nachrichten zu übertragen. Dies ist das Reich des Nahinfrarotlichts (NIR), eines speziellen Bereichs des elektromagnetischen Spektrums, der sich direkt jenseits des roten Endes dessen befindet, was unsere Augen sehen können. Wissenschaftler versuchen schon lange, „Glühbirnen“ zu erschaffen, die ausschließlich in dieser unsichtbaren Zone leuchten, ohne dass dabei sichtbares rotes oder oranges Licht durchsickert, was den Effekt ruinieren würde. Die Herausforderung ist vergleichbar mit dem Versuch, ein Radio auf einen einzigen, leisen Sender in einem Sturm aus statischem Rauschen abzustimmen; normalerweise gilt es so, dass das Licht schwächer und verschwommener wird, wenn man es tiefer in den roten Bereich (Infrarot) drängt, wodurch es an Schärfe und Effizienz verliert. Um dies zu lösen, verwenden Forscher winzige, komplexe Moleküle, die sogenannten Iridium(III)-Komplexe. Betrachten Sie diese Moleküle als mikroskopische Fabriken, in denen Elektrizität in Licht umgewandelt wird. Das Ziel ist es, diese Fabriken so zu entwerfen, dass sie genau dieses spezifische, unsichtbare Infrarotlicht mit hoher Effizienz erzeugen, und die Geräte, die sie halten, mit einfachen, flüssigkeitsbasierten Methoden (wie Lackieren oder Drucken) anstatt mit teuren Hochvakuum-Maschinen zu bauen.

In dieser Studie beschloss ein Forscherteam, den Bauplan dieser molekularen Fabriken neu zu entwerfen. Sie entfernten sich vom Standarddesign, das normalerweise zwei identische „Hauptteile“ und einen „Helferteil“ verwendet, hin zu einem einzigartigeren, dreiteiligen „asymmetrischen“ Design. Sie erschufen ein neues Molekül, das sie Ir-2 nannten, indem sie drei verschiedene Arten von Liganden (den Bausteinen, die das Iridiumatom zusammenhalten) mischten. Ein Teil wurde als „Farbmeister“ gewählt, der für das tiefe Infrarotglühen verantwortlich ist, während ein anderer ein „stärkerer“ Teil war, der darauf ausgelegt ist, die Struktur des Moleküls zu straffen und seine Leistung zu steigen. Das Ergebnis war ein Molekül, das im Vergleich zum breiteren, verschwommeneren Leuchten seines Vorgängers wie ein Präzisionslaser wirkte. Das Ir-2-Molekül emittierte Licht bei einem Peak von 758 Nanometern mit einer sehr schmalen Streuung (einer Halbwertsbreite, oder FWHM, von nur 4ks 46 nm), was bedeutete, dass das Licht unglaublich rein war und nicht in das sichtbare Spektrum überlappte. Im Gegensatz dazu leuchtete ihre ältere Version, Ir-1, bei 786 nm, war aber viel breiter (62 nm) und weniger effizient.

Die Forscher hörten nicht nur auf, das Molekül herzustellen; sie testeten auch, wie gut es in tatsächlichen lichtemittierenden Bauteilen funktioniert. Sie bauten zwei Arten von Prototypen. Der erste Typ verwendete eine Mischung aus Flüssigkeits- und Vakuumverfahren (nicht-rein lösungsmittelbasiert), bei dem das Ir-2-Molekül half, ein Gerät mit einer rekordverdächtigen Effizienz von 2,456 % zu erstellen. Doch die wahre Magie geschah mit dem zweiten Typ: einem Gerät, das vollständig mittels Flüssigverarbeitung (rein lösungsmittelbasiert) hergestellt wurde, was billiger und einfacher hochskalierbar ist. Selbst mit dieser einfacheren Herstellungsmethode erreichte das auf Ir-2 basierende Gerät eine rekordverdächtige Effizienz von 2,418 % für diese spezifische Art von rein farbigem Infrarotlicht. Die Studie legt nahe, dass dieses neue „dreiteilige“ molekulare Design eine leistungsstarke Plattform darstellt und beweist, dass man gleichzeitig hohe Effizienz und reine Farben in diesen schwer herzustellenden Infrarotlichtern erreichen kann, was den Weg für günstigere, bessere Geräte für Nachtsicht, medizinische Therapie und sichere Kommunikation ebnet.

Technische Zusammenfassung: Farbreine schmalbandige NIR-Phosphore auf Basis asymmetrischer tris-heteroleptischer Ir(III)-Komplexe

Problemstellung
Die Entwicklung hocheffizienter, farbreiner Nahinfrarot (NIR)-organischer/polymerer Leuchtdioden (OLEDs/PLEDs) bleibt eine enorme Herausforderung. Während Iridium(III) (Ir(III))-Komplexe in Anwendungen im sichtbaren Licht erfolgreich sind, wird ihr Einsatz im NIR-Bereich (Emissionsbeginn $\lambda_{em} \ge 700$ nm) durch zwei primäre Faktoren erschwert:

Das Energiegap-Gesetz (Energy Gap Law): Wenn die Emissionswellenlängen über 700 nm hinausgehen, nimmt die Exziton-Vibrations-Kopplung zu, was zu einer schnellen nicht-strahlenden Deaktivierung und reduzierten Photolumineszenz-Quantenausbeuten ( $\Phi_{PL}$ ) führt.
Der Trade-off zwischen spektraler Reinheit und Effizienz: Viele NIR-Emitter leiden unter breiten Emissionsspektren (große Halbwertsbreite, FWHM) aufgrund von Ladungstransfer-Effekten (Charge-Transfer, CT), was zu signifikanten Resten im sichtbaren Bereich führt. Echte „farbreine“ NIR-Emission (Typ-III), definiert als vollständige Emission jenseits von 700 nm mit minimalen sichtbaren Komponenten, ist schwierig zu erreichen, ohne die Effizienz zu opfern. Zudem hinken lösungsmittelverarbeitete NIR-PLEDs, die Kostenvorteile durch Lösungsverfahren für die großflächige Fertigung bieten, typischerweise den vakuumaufgedampften Gegenstücken in der Leistung hinterher.

Methodik
Die Autoren verwendeten eine molekulare Designstrategie, die sich auf asymmetrische tris-heteroleptische Ir(III)-Komplexe der allgemeinen Formel $[Ir(C^N)(C'^N')(N^N)]$ konzentriert.

Molekulares Design: Die Studie zielte auf den Komplex $[Ir(dpbq)(iqbt)(ftrpz)]$ (bezeichnet als Ir-2) ab. Dieses Design weist auf:
- Einen farbverantwortlichen $Hdpbq $($ HC^N$)-Hauptliganden zur Sicherstellung der NIR-Emission.
- Einen $Hiqbt $($ HC'^N'$)-Liganden zur Modulation der elektronischen Struktur.
- Einen $Hftrpz $($ HN^N$)-Ancillärliganden mit starker Ligandenfeldstärke zur Stabilisierung des Komplexes und zur Abstimmung der Emission.
  Dies wurde im Vergleich zu einem bis-heteroleptischen Gegenstück, $[Ir(dpbq)_2(ftrpz)]$ (Ir-1), untersucht, um die Auswirkungen des dritten, unterschiedlichen Liganden zu bewerten.
Synthese: Die Komplexe wurden über eine eintopfige Reaktion unter Verwendung von $\mu$ -chloroverbrückten Dimer-Zwischenprodukten und anschließender Reinigung mittels Flash-Säulenchromatographie synthetisiert.
Charakterisierung: Umfassende Analysen mittels Elementaranalyse, FT-IR, $^1$ H-NMR, ESI-MS, Einkristall-Röntgenstrukturanalyse, thermogravimetrischer Analyse (TGA) und zyklischer Voltammetrie (CV) wurden durchgeführt.
Bauelementfertigung:
- Nicht-vollständig lösungsmittelverarbeitete Bauelemente: Gefertigt mit einer vakuumaufgedampften Elektronentransportschicht (TmPyPB), um die Leistung zu benchmarken (NIR-PLED-1A und NIR-PLED-2A).
- Vollständig lösungsmittelverarbeitete Bauelemente: Gefertigt unter Verwendung einer Multi-Layer-Orthogonal-Lösungsmittelstrategie. Hierbei wurde eine polymere Elektronentransportschicht (Poly(vinyl-PBD)) eingesetzt, um die vakuumaufgedampften Schichten zu ersetzen, was ein vollständig lösungsmittelverarbeitetes Bauelement ermöglichte (NIR-PLED-2B). Die Wirtsmatrix war PVK:OXD7 (60:35 Gew.-%) mit einem Dotierungsverhältnis von 5 %.

Zentrale Ergebnisse

Strukturelle und thermische Eigenschaften: Die Röntgenbeugung bestätigte die asymmetrische, verzerrt oktaedrische Geometrie des tris-heteroleptischen Ir-2-Komplexes. Die thermische Stabilitätsanalyse zeigte 5 % Gewichtsverlust-Temperaturen von 223 °C (Ir-1) und 237 °C (Ir-2), was für die Lösungsverarbeitung ausreichend ist.
Photophysikalische Eigenschaften:
- Ir-2 zeigte eine Spitzenemission bei 758 nm mit einer engen FWHM von 46 nm und einer Photolumineszenz-Quantenausbeute ( $\Phi_{PL}$ ) von 4,9 %.
- Ir-1 emittierte bei 786 nm mit einer breiteren FWHM von 62 nm und einer niedrigeren $\Phi_{PL}$ von 3,6 %.
- Theoretische Berechnungen (TD-DFT) ergaben, dass die überlegene Leistung von Ir-2 aus einem „Trade-off“ zwischen Effizienz und spektraler Reinheit resultiert. Die Einführung des $iqbt$-Liganden erhöhte den $^3$ MLCT-Charakter (6,89 % gegenüber 5,80 % bei Ir-1), was die radiative Zerfallsrate ( $k_r$ ) verbesserte, während die spezifische Ligandenkombination ein schmales Emissionsband beibehielt, das primär vom $^3$ ILCT-Charakter dominiert wird.
Leistung der Bauelemente:
- Nicht-vollständig lösungsmittelverarbeitetes Bauelement (NIR-PLED-2A): Erreichte eine maximale externe Quanteneffizienz ( $\eta_{EQE}$ ) von 2,456 % bei 758 nm mit einer Leuchtdichte von 970,3 mW/(sr·m²).
- Vollständig lösungsmittelverarbeitetes Bauelement (NIR-PLED-2B): Durch die Verwendung der polymeren ETL-Strategie erreichte das Bauelement eine Rekord- $\eta_{EQE}$ von 2,418 % bei 758 nm. Diese Leistung übertraf zuvor berichtete auf Ir(III)-Komplexen basierende, vollständig lösungsmittelverarbeitete NIR-PLEDs.
- Beide Bauelemente demonstrierten eine „Typ-III“-Farbreinheit, wobei nahezu 100 % der Emission oberhalb von 700 nm liegen.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass die asymmetrische tris-heteroleptische Designstrategie den Effizienz-Reinheits-Trade-off bei NIR-Emittern erfolgreich adressiert. Durch die Verwendung einer spezifischen Kombination von Liganden (ein farbverantwortlicher, ein Strukturmodulator und ein starker Feld-Ancillärligand) gelang es den Autoren, ein „Kompromiss“ zu finden, der das Gleichgewicht zwischen Emissionswellenlänge, Spektralbreite und Quanteneffizienz optimiert.

Die primäre Bedeutung dieser Arbeit liegt in dem Nachweis, dass hochleistungsfähige, farbreine NIR-PLEDs mittels vollständiger Lösungsverarbeitung realisiert werden können. Die Studie etabliert $[Ir(C^N)(C'^N')(N^N)]$ -Komplexe, insbesondere Ir-2, als eine lebensfähige Plattform für effiziente, kostengünstige, großflächige NIR-optoelektronische Bauelemente und überwindet damit die historische Leistungslücke zwischen lösungsmittelverarbeiteten und vakuumaufgedampften NIR-OLEDs.

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