吉林大學王悅教授團隊Adv. Funct. Mater.：通過異構體策略構建高效紅光熱活化延遲熒光（TADF）有機發光二極管（OLED）

引言

有機發光二極管（OLED）具有低能耗、廣視角、柔性、高對比度等優勢，近年來已經成功商業化使用，并逐漸成為主流的平板顯示技術。和磷光發光材料相比，不使用貴金屬的純有機熱活化延遲熒光（TADF）材料不僅具有成本優勢而且能夠實現100%的內量子效率，因而被認為是最具潛力的下一代有機發光材料。然而，紅光TADF材料的發展還是明顯落后于藍光和綠光，究其原因是因為紅光的窄帶隙導致非輻射躍遷過程易于發生且紅光所需要的強電荷轉移（CT）態分子設計與高熒光量子效率（PLQY）往往相互矛盾。因此，如何獲得高效的紅光TADF材料仍是當前極具挑戰的課題。

成果簡介

近日，吉林大學王悅教授課題組報道了一種基于異構體工程調控紅光TADF材料性能的新策略。通過將9,10-二氫-9,9-二苯基吖啶（DPAC）給體連接在受體核的不同位點并通過擴展受體核π共軛成功合成了兩對位置異構體。有趣的是同分異構體之間的PLQY表現出了明顯的差異，trans-構象分子T-DA-1和T-DA-2表現出了較高的熒光效率（PLQY）（78和89%），與其對應的異構體cis-構象分子C-DA-1和C-DA-2的PLQY僅為12和14%。通過瞬態熒光壽命測試和進一步的理論計算，我們發現具有cis-構象分子的輻射躍遷過程相對于trans-構象受到了阻礙，這是兩者PLQY差距過大的根本原因。另外同分異構體分子在晶體中也展現出了截然不同的排列方式，T-DA-2分子間有較大的π-π相互作用，而C-DA-2幾乎沒有π-π相互作用，有效的π-π相互作用也能起到抑制非輻射躍遷的效果，這為兩者晶體的PLQY差異提供合理的解釋。T-DA-2具有高的PLQY和較小單-三重態能級差（0.05 eV），因而其電致發光器件表現出了最佳的性能，最大發光波長位于640 nm，最大外量子效率（EQE）高達26.26%。同時該器件也表現出了低的效率滾降，在亮度100?cd m^-2下仍能保持23.95%的外量子效率（EQE），為相同亮度下紅光區域器件的最高值。這項工作為發展具有高發光效率的紅光TADF分子提供了重要參考。該成果以“Improving the Efficiency of Red Thermally Activated Delayed Fluorescence Organic Light-Emitting Diode by Rational Isomer Engineering”為題發表在Adv. Funct. Mater.上。吉林大學王悅教授和李成龍副教授為文章通訊作者。第一作者為吉林大學博士生楊桐。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃以及吉林大學科技創新團隊項目的大力支持。

圖文導讀

注：為了突出同分異構體給體取代位置的不同，作者假定給受體在核心同側為cis-構象，異側為trans-構象來方便清晰的討論。

圖1、分子合成路線

同分異構體的分子結構和合成路線。

圖2、分子光學性質表征

各分子的吸收曲線、室溫熒光光譜、77K下熒光光譜和磷光光譜。

圖3、重組能計算

T-DA-1 (a),、T-DA-2 (b),、C-DA-1 (c)和C-DA-2 (d)的最優S₀和S₁態構型、相應構型下的單點能和計算得出的重組能。

圖4、晶體結構和分子排列方式

T-DA-1 (a),、T-DA-2 (b)和C-DA-2 (c)的晶體結構和π-π相互作用大小。

圖5、電致發光器件性能表征

(a)100cd m^-2亮度下的發光光譜；

(b)電流密度-電壓-亮度曲線；

(c)外量子效率(EQE)隨亮度變化的曲線；

(d)電流效率和功率效率隨亮度變化的曲線。

小結

該工作通過改變給體連接位置和擴展受體核π共軛設計合成了兩對紅至深紅光TADF同分異構體發光材料。有趣的是異構體間表現出的顯著PLQY差異，進一步的光物理測試和理論計算表明給受體的位置和晶體中的分子排布對發光性能的差異起到了決定性的影響。基于trans-構象T-DA-2分子的電致發光器件在波長640 nm 處的最大外量子效率（EQE）達到了26.26%并具有較小的效率滾降，是已報道的相同光色紅光器件中的最高水平之一。本研究為設計具有高發光效率的紅光TADF分子提供了重要參考。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202002681

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