近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授團隊與周蒙教授團隊以及北京信息科技大學(xué)柳淵教授團隊合作，提出了純紅光OLED材料設(shè)計新策略，開發(fā)了色純度接近NTSC紅光標準的純紅光發(fā)光材料，在純紅光有機電致發(fā)光二極管（OLED）效率和穩(wěn)定性方面實現(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，藍光和綠光發(fā)光材料的效率已經(jīng)取得了顯著進展，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，這使得高發(fā)光效率與深紅光發(fā)射之間難以兼得，嚴重制約了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。
研究團隊成員圍繞這一關(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)計新策略。該策略通過在多重共振（MR）單元中引入二級給電子基團，并進一步延展其π骨架，形成不對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)之間的能級差。同時，融合不對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）。
圖1：相關(guān)分子結(jié)構(gòu)與設(shè)計策略
圖2：相關(guān)分子的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)發(fā)射光譜
理論計算結(jié)果進一步表明，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，額外引入的長程電荷轉(zhuǎn)移特性有效縮小了單/三線態(tài)能級差，并通過不對稱咔唑單元顯著增強了自旋軌道耦合（SOC），大幅提升了反向系間竄躍速率（kRISC=1.61×10? s?¹）（見圖3）。相關(guān)系間竄躍和反向系間竄躍的動力學(xué)過程進一步通過瞬態(tài)吸收光譜得到了驗證（見圖4）。
圖3：相關(guān)分子的理論計算結(jié)果
圖4：純紅色分子的瞬態(tài)吸收光譜
基于BNTPA分子作為發(fā)光材料制備的OLED器件實現(xiàn)了35.2%的最大外量子效率，其CIE值為（0.657, 0.343），與NTSC紅光標準（0.67，0.33）非常接近，實現(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)計策略為開發(fā)高效的純紅色MR-TADF分子提供了新的思路。
圖5：純紅色OLED器件的結(jié)構(gòu)與性能
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)實驗中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級計算中心以及北京并行科技股份有限公司高性能計算平臺等支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13375
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、精準智能化學(xué)重點實驗室、中科院軟物質(zhì)化學(xué)重點實驗室、科研部)
