【材料】深圳大学杨楚罗/黄忠衍团队AFM：开发结构简单抗猝灭MR-TADF材料实现BT.2020蓝光标准高性能窄光谱蓝色OLED

学术 2024-11-25 08:10 北京

有机发光二极管（OLED）由于其低功耗、宽视角、可弯曲等优点，已经在显示应用中展现出了巨大的优势。随着人们对超高分辨率显示器需求的与日俱增，国际电信联盟（ITU）提出了新的色域标准，即BT.2020，要求红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色的国际照明委员会（CIE）色坐标分别为（0.708, 0.292）、（0.170, 0.797）和（0.131, 0.046），而开发具有高色纯度的OLEDs是达到这一前沿标准的前提条件。

近日，深圳大学杨楚罗团队黄忠衍助理教授报道了基于外围修饰构建高性能窄光谱蓝色OLED发光材料的策略。基于该策略设计的MR-TADF材料IPrBN-mCP在甲苯溶液中表现出452 nm的深蓝光发射，半峰宽仅为19 nm，CIEy达到0.047。相应的电致发光（EL）器件在10 wt%的高掺杂浓度下实现了高达33.4%的最大外量子效率（EQE_max），且CIEy达到0.046，满足BT.2020的要求。

图1. IPrBN-mCP分子结构与设计策略。

作者通过对已知分子DABNA的外围修饰多个烷基，以增大位阻并限制分子转动，设计并获得了新的化合物IPrBN。进一步在IPrBN中硼的对位引入大位阻的二芳胺基团，得到的化合物IPrBN-mCP表现出更为优异的光谱以及抑制浓度猝灭性能。

为了深入理解IPrBN-mCP的电子构型，作者进行了基于密度泛函理论（DFT）计算模拟。其中，IPrBN-mCP的最低单线激发态（S₁）能级达到3.04 eV，预示其蓝光发射。此外，IPrBN-mCP具有更高的振子强度（0.1931），表明它们的高辐射辐射跃迁速率，预示着高发光量子效率（PLQY）。值得注意的是，IPrBN基团与大位阻二芳胺基团之间的扭转角度适中（78.10°），这种构象可能减轻分子间聚集。作者使用分子材料性质预测包（MOMAP）对重组能（Λ）和均方根位移值（RMSD）进行了分析。IPrBN的RMSD和Λ值分别为0.1560 Å和1630 cm^-1，而IPrBN-mCP的RMSD和Λ值分别为0.1337 Å和1224 cm^-1。IPrBN-mCP的RMSD和Λ的降低表明，该引入二芳胺给体可以进一步抑制分子的激发态结构弛豫，可能增强其光电性能。

图2. (a) IPrBN和 (b) IPrBN-mCP的前沿分子轨道分布和能级。(c) IPrBN和IPrBN-mCP的RMSD值和 (d) 重组能。

图3. IPrBN和IPrBN-mCP的光物理性质。甲苯溶液 (10^-5 M) 中 (a) 紫外可见吸收和稳态荧光 (300 K)光谱。(b) 77 K荧光和磷光光谱。掺杂膜中 (c) IPrBN和 (d) IPrBN-mCP的荧光光谱。在氩气气氛下 (e) IPrBN和 (f) IPrBN-mCP的瞬态光致发光衰减曲线。

如图3所示，两个化合物都展现出窄光谱蓝光发射，峰值/FWHM值分别为IPrBN的457/20 nm和IPrBN-mCP的453/19 nm，CIE坐标分别为（0.125,0.094）和（0.143,0.047）。在DOBNA-OAr掺杂薄膜中的峰值/FWHM值分别为461/22 nm和453/22 nm（图3c和3d）。重要的是，两种材料在掺杂薄膜中展现出极好的PLQY值，均高达99%。如图3d和3f，瞬态光致发光（TRPL）光谱所示，拟合得到IPrBN的τ_PF/τ_DF寿命分别为8.0 ns/201 μs，IPrBN-mCP的分别为6.5 ns /106 μs。基于TRPL数据和PLQY，可以计算获得光物理过程中的关键动力学常数。IPrBN-mCP显示出更快的单重态辐射衰减（k_r,S）和反向隙间窜越（RISC）速率常数，分别为8.1×10⁷ s^-1和1.78×10⁴ s^-1。相比之下，IPrBN的相应值仅为6.4×10⁷ s^-1和0.96×10⁴ s^-1，表明IPrBN-mCP具有更好的TADF特性。

为了评估IPrBN和IPrBN-mCP的EL性能，作者选择了DOBNA-Oar为主体，IPrBN或IPrBN-mCP作为发光客体，分别制备了从1 wt%-30 wt%不同掺杂浓度的二元器件。结果表明，在1 wt%掺杂浓度下，IPrBN和IPrBN-mCP的器件均展现出蓝光发射，峰值/FWHM值分别为459/22 nm和450/20 nm，色坐标为（0.138, 0.063）和（0.151, 0.037），EQE_max达到20.6%和17.1%。增大掺杂浓度至5 wt%，IPrBN的器件EQE_max和色纯度都有所下降，而IPrBN-mCP的器件由于掺杂浓度的提高，主客体能量转移更加完全，EQE_max显著提高到25.5%。有趣的是，进一步提高掺杂浓度到10 wt%，IPrBN-mCP的器件获得了高达33.4%的EQE_max，色坐标为（0.146, 0.046），满足BT.2020对蓝光CIEy的要求，也进一步证明了IPrBN-mCP更为优越的器件性能。为了提供更为直观的比较视角，作者总结了IPrBN-mCP与其他已报道的蓝光区域（< 480 nm）的TADF材料的CIEy和EQE_max值。如图4所示，IPrBN-mCP在CIEy和EQE_max方面均表现出色，为兼具优异色纯度和高EQE的蓝光MR-TADF材料之一，进一步验证了分子设计策略的合理性。

图4. IPrBN和IPrBN-mCP的器件性能。(a)电致发光光谱。(b) IPrBN和(c) IPrBN-mCP的器件外量子效率（EQE）与亮度曲线。(d)器件的电流效率和(e)功率效率随亮度变化曲线。(f)总结器件CIEy值小于0.1的已报道TADF材料。

表1. EL性能数据总结

小结

这项工作介绍了一种简单而有效的外围大位阻修饰构建高性能窄光谱蓝色OLED材料的策略。上述研究成果在Advanced Functional Materials 上发表。深圳大学材料学院硕士研究生邢明欣为论文第一作者，深圳大学黄忠衍助理教授为论文唯一通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技创新研究基金和深圳大学科研启动基金的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Simple-Structure and Anti-Quenching Deep-Blue Multi-Resonance TADF Emitters Enable High-Efficiency OLEDs with BT.2020 Blue Gamut

Mingxin Xing, Guohao Chen, Shuni Wang, Xiaojun Yin, Jiahui Liu, Zhuixing Xue, Nengquan Li, Jingsheng Miao, Zhongyan Huang*, Chuluo Yang

Adv. Funct. Mater. 2024, DOI: 10.1002/adfm.202414635

作者简介

黄忠衍，深圳大学助理教授，硕士生导师，深圳市高层次人才。2017年博士毕业于日本名古屋工业大学。2018年加入深圳大学材料学院杨楚罗特聘教授团队任专职副研究员，2022年9月起任深圳大学材料学院助理教授/特聘副研究员，主要从事有机发光二极管（OLED）功能材料的设计合成及性能研究。近年来主持国家青年基金、广东省自然科学基金-青年提升项目、深圳市基础研究面上项目，以第一/通讯（含共同）作者身份先后在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Chem. Eng. J., Adv. Opt. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Aggregate等期刊上发表论文18篇，其中3篇入选ESI高被引论文，1篇被评为热点文论，申请中国发明专利9项。

黄忠衍

https://www.x-mol.com/university/faculty/382017

杨楚罗

https://www.x-mol.com/groups/Yang_Chuluo

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