中國科大提出OLED藍光材料設(shè)計新策略

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授團隊與英國劍橋大學(xué)Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大學(xué)柳淵教授合作，提出了高色純度深藍色有機發(fā)光材料設(shè)計新策略，開發(fā)了一系列色純度接近BT.2020藍光標準的高效深藍色發(fā)光材料，在深藍色有機電致發(fā)光二極管（OLED）色純度和效率方面實現(xiàn)新的突破，有望解決未來4K/8K超高清顯示技術(shù)領(lǐng)域藍光色純度的重要瓶頸。相關(guān)研究成果以《Excited-state Engineering Enables Efficient Deep-blue Light-emitting Diodes Exhibiting BT.2020 Color Gamut》為題，于2024年4月10日在線發(fā)表于期刊《Advanced Materials》上。

OLED作為新一代顯示技術(shù)，具有自發(fā)光、高分辨率、高柔性、低功耗和超輕薄等諸多優(yōu)勢，在智能手機、智能穿戴設(shè)備以及VR等產(chǎn)品的屏幕上得到廣泛應(yīng)用。發(fā)光材料是OLED器件的核心，對器件的發(fā)光性能，包括發(fā)光效率、色純度和器件壽命等方面有著重要影響。因此，設(shè)計和開發(fā)高性能有機發(fā)光材料一直是OLED領(lǐng)域的研究重點和難點。其中，藍光材料的開發(fā)尤為關(guān)鍵，因為它不僅能提供顯示和照明所需的藍光，還可以通過能量轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生紅光和綠光。當前，顯示技術(shù)的目標是實現(xiàn)BT.2020超高清色域標準，該標準規(guī)定了藍光的標準色坐標（CIE）為（0.131, 0.046），以滿足4K/8K超高分辨率顯示的需求，這對藍色發(fā)光材料的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。

研究團隊創(chuàng)新性地提出了高色純度深藍色OLED材料設(shè)計新策略，即將多個咔唑給體基團引入到多重共振（MR）型電子受體單元中，形成雜化的長程和短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)。基于此策略設(shè)計的藍光分子不僅具有短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)窄譜帶發(fā)射的特征，而且引入的長程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)有利于降低分子的單/三線態(tài)能級差，從而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見圖1）。

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圖1.深藍光TADF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，MR型電子受體單元表現(xiàn)出短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)特征，而多個咔唑給體基團的引入形成了長程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)。其中，短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)能夠有效抑制分子激發(fā)態(tài)下的結(jié)構(gòu)弛豫，從而實現(xiàn)深藍光的窄帶發(fā)射；而長程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)則能進一步減小分子的單/三線態(tài)能級差，同時增強單/三線態(tài)之間的自旋軌道耦合，進而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見圖2）。相關(guān)ISC和RISC過程通過瞬態(tài)吸收光譜得到了進一步驗證（見圖3）。此外，對于MR型電子受體單元，其剛性且平面的結(jié)構(gòu)易在高濃度摻雜時發(fā)生堆積，產(chǎn)生較強的分子間相互作用，最終導(dǎo)致分子發(fā)光的紅移與展寬。然而，在此策略中，多個咔唑給體基團的引入帶來了大的位阻效應(yīng)可以有效抑制MR受體單元的堆積，使該分子在高摻雜濃度下依然保持深藍光窄帶發(fā)射。

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圖2.深藍光TADF分子的理論計算結(jié)果

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圖3.深藍光TADF分子的瞬態(tài)吸收光譜

最終，基于5Cz-BO分子制備的OLED器件實現(xiàn)了22.8%的最大外量子效率，其CIE值為（0.163, 0.046），CIEy值已非常接近目前的BT.2020藍光標準，從而在效率和色純度方面實現(xiàn)了深藍光OLED器件的新突破。同時，由于5Cz-BO具有較高的反向系間竄躍速率，可以作為敏化劑使用，最終敏化器件的最大外量子效率高達33.1%，使深藍光敏化器件表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Γㄒ妶D4）。

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圖4.深藍光OLED器件的結(jié)構(gòu)與性能

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生安芮芝以及劍橋大學(xué)孫雨琦博士為本論文的共同第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授、英國劍橋大學(xué)Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大學(xué)柳淵教授為本論文的通訊作者。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)實驗中心以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級計算中心等支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202313602