中國科大在純紅光OLED領(lǐng)域取得新進(jìn)展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授團(tuán)隊(duì)與周蒙教授團(tuán)隊(duì)以及北京信息科技大學(xué)柳淵教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了純紅光OLED材料設(shè)計(jì)新策略，開發(fā)了色純度接近NTSC紅光標(biāo)準(zhǔn)的純紅光發(fā)光材料，在純紅光有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED）效率和穩(wěn)定性方面實(shí)現(xiàn)新的突破。相關(guān)研究成果以“Efficient and Stable Narrowband Pure-Red Light-Emitting Diodes with Electroluminescence Efficiencies Exceeding 43%”為題，于11月13日在線發(fā)表于期刊《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）。

OLED憑借其超薄結(jié)構(gòu)、高柔性和自發(fā)光等特性，正迅速嶄露頭角，成為新一代高品質(zhì)顯示與照明領(lǐng)域引領(lǐng)性技術(shù)。在OLED中，發(fā)光材料是關(guān)鍵功能材料，直接決定器件的性能。目前，藍(lán)光和綠光發(fā)光材料的效率已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，基本滿足商業(yè)化應(yīng)用需求。然而，受“能隙”定律的制約，發(fā)光能隙越窄，非輻射躍遷越強(qiáng)，這使得高發(fā)光效率與深紅光發(fā)射之間難以兼得，嚴(yán)重制約了OLED顯示技術(shù)的商業(yè)發(fā)展。因此，如何提升深紅光發(fā)光材料的輻射躍遷速率和反向系間竄躍速率，是實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率和高性能純紅光OLED器件的關(guān)鍵科學(xué)問題。

研究團(tuán)隊(duì)成員圍繞這一關(guān)鍵問題，創(chuàng)新性地提出了高發(fā)光效率、高色純和高穩(wěn)定性的純紅光OLED材料設(shè)計(jì)新策略。該策略通過在多重共振（MR）單元中引入二級(jí)給電子基團(tuán)，并進(jìn)一步延展其π骨架，形成不對(duì)稱的雜化長程和短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)（圖1）。基于該策略設(shè)計(jì)的分子不僅展現(xiàn)出純紅光發(fā)光特性，而且引入的長程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)有助于降低單線態(tài)與三線態(tài)之間的能級(jí)差。同時(shí)，融合不對(duì)稱的咔唑單元增大了自旋軌道耦合（SOC），顯著提升了反向系間竄躍速率，并提高了輻射躍遷速率。（見圖2）。

理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明，第一激發(fā)單重態(tài)（S1）呈現(xiàn)以短程電荷轉(zhuǎn)移為主的不對(duì)稱的雜化長程和短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)。其中，基于MR母核的短程電荷轉(zhuǎn)移態(tài)特性賦予S1態(tài)大于0.4的振子強(qiáng)度，從而加速了輻射速率（kr = 2.17×107 s⁻¹）。此外，短程電荷轉(zhuǎn)移主導(dǎo)的S1態(tài)結(jié)合剛性的分子骨架，使發(fā)光半峰寬保持在較窄范圍內(nèi)（FWHM=0.14 eV）。與此同時(shí)，額外引入的長程電荷轉(zhuǎn)移特性有效縮小了單/三線態(tài)能級(jí)差，并通過不對(duì)稱咔唑單元顯著增強(qiáng)了自旋軌道耦合（SOC），大幅提升了反向系間竄躍速率（kRISC=1.61×10⁵ s⁻¹）（見圖3）。相關(guān)系間竄躍和反向系間竄躍的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)一步通過瞬態(tài)吸收光譜得到了驗(yàn)證（見圖4）。

基于BNTPA分子作為發(fā)光材料制備的OLED器件實(shí)現(xiàn)了35.2%的最大外量子效率，其CIE值為（0.657, 0.343），與NTSC紅光標(biāo)準(zhǔn)（0.67，0.33）非常接近，實(shí)現(xiàn)了純紅光OLED的新突破。此外，利用BNTPA作為發(fā)光材料的磷光敏化器件達(dá)到了43.3%的外量子效率（見圖5），并顯著提升了器件的穩(wěn)定性，創(chuàng)下了目前紅光OLED器件的最高效率水平。所提出的設(shè)計(jì)策略為開發(fā)高效的純紅色MR-TADF分子提供了新的思路。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生葛麗爽、特任副研究員張偉為本工作并列第一作者。崔林松教授、周蒙教授、柳淵教授為該項(xiàng)成果的并列通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”專項(xiàng)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心以及北京并行科技股份有限公司高性能計(jì)算平臺(tái)等支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13375