Nature Materials：清華大學段煉團隊關于藍色OLED材料的新突破

Nature Materials：清華大學段煉團隊關于藍色OLED材料的新突破

尼古拉斯

一、【科學背景】

有機發光二極管（OLED）技術近年來取得了顯著進展，特別是在顯示和照明領域。綠色和紅色磷光材料已經相當成熟，被廣泛應用于商業OLED面板中，然而，藍色磷光材料的效率和穩定性仍然是一個挑戰。有研究人員正在通過改進材料和器件設計來延長OLED的壽命，TADF（熱激活延遲熒光材料）因其能夠實現100%的內部量子效率而受到廣泛關注。

二、【創新成果】

近日，清華大學段煉、張東東等人在 Nature Materials 期刊發表了題為“Delocalizing electron distribution in thermally activated delayed fluorophors for high-efficiency and long-lifetime blue electroluminescence”的論文，本文主要提出了一種新的分子設計規則，通過引入輔助受體來分散電子分布，增強分子在負極化子和三重態激發態的穩定性。這些化合物表現出近乎統一的熒光量子產率、短壽命延遲以及改善的光致發光和電致發光穩定性。使用這些分子作為敏化劑的深藍色OLED實現了高外部量子效率（30.8%）和長壽命（221小時）。這種設計不僅加速了三重態到單重態的轉換過程，還提高了單重態輻射過程的速度。

圖1? TADF分子的分子設計及內在穩定性分析? ?2024 Springer Nature

作者提出了一種新的分子設計規則，通過引入輔助受體來去局域化電子分布。這種方法旨在增強分子在負極和三重激發態的穩定性，同時加速三重態到單重態的上轉換（RISC）和單重態輻射過程。作者設計并合成了三種目標分子（4CzBN-PhCN、4tCzBN-PhCN和4tCzBN-TPTRZ），并預期這些分子與參考分子5CzBN相比，對發射顏色的影響有限，因為PhCN和TPTRZ是比CN基團更弱的電子受體，并且相應地減少了給電子基團的數量。通過計算C-N鍵的鍵解離能（BDE），作者評估了目標分子在負極和三重激發態的穩定性。結果顯示，所有目標化合物的BDE(?)值都有所提高，這意味著在負極狀態下的化學鍵更加穩定。作者研究了目標分子的光物理性質，發現通過精心設計的分子結構，可以實現高效的TADF發射體，具有快速的激子消耗、高量子產率和改善的穩定性，這對于提高OLED器件的性能至關重要。

圖2? TADF材料的PL特性? ?2024 Springer Nature

作者通過測量目標分子和參考分子在稀釋甲苯溶液中的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜，發現所有研究的TADF化合物都展現出寬泛的吸收帶且吸收帶波長均在400納米以上；計算得到的ΔE_ST值對于目標化合物都小于0.05 eV；并且PLQY測量結果顯示，它們的PLQY值在0.12–0.15范圍內，并且在氮氣掃過后可以提高到接近1，表明這些材料具有很高的光致發光效率；與參考化合物3Cz2DPhCzBN相比，目標化合物的延遲熒光壽命（τd）顯著縮短，特別是4tCzBN-PhCN的τd僅為2.4微秒，這表明了更快的TADF過程；目標化合物的輻射衰減（k_r）和RISC（k_RISC）速率常數都較高，k_r值超過107 s^?1，k_RISC值超過106 s^?1，這有助于實現短延遲時間和高效率的電致發光。

圖3? 優化基于TADF的OLED的EL特性? ?2024 Springer Nature

作者設計并制備了OLED器件，其中使用了特定的發光層（EML）材料，包括SiCzCz、SiTrzCz₂以及TADF發射體，其中SiCzCz和SiTrzCz₂用于限制電荷復合在發射層內，發射層的摻雜濃度優化為20 wt%。作者測量了基于不同TADF發射體的OLED器件的電致發光（EL）光譜，發現它們具有相似的光譜特性，這表明可以合理比較它們的性能。所有OLED器件外部量子效率在25.9%到37.1%的范圍，表現出高耦合效率和優異的穩定性。尤其是，在初始亮度為1000 cd/m2的條件下，基于4tCzBN-PhCN的器件達到了長達221小時的LT₉₅壽命，最大EQE為30.8%。

圖4? 優化基于TSF的OLED的EL特性? ?2024 Springer Nature

此外，作者研究了TADF發射體和作為敏化劑的TADF發射體在TSF器件中的性能，這些器件展現出高效率和出色的操作穩定性，其中TSF-SB器件在初始亮度為1000 cd/m2時的壽命達到了454小時。與現有的磷光和TADF OLED技術相比，所開發的TADF和TSF OLED器件在效率、穩定性和色彩表現方面表現出色，這為OLED技術的發展提供了新的方向。

三、【科學啟迪】

總之，作者提出了一種通過引入輔助受體來分散電子分布的設計策略，以增強TADF材料在負極化子和三重態激發態下的穩定性，并加速三重態到單重態的轉換和單重態輻射過程。合成了基于多咔唑-苯甲腈結構的TADF材料并通過量子化學計算和實驗驗證了其光物理和電化學穩定性。制備了基于這些TADF材料的OLED器件，并評估了其電致發光性能和操作穩定性。器件表現出高外部量子效率（EQE）和長操作壽命，如4tCzBN-PhCN基器件的LT??為37.6小時。展示了這些材料作為敏化劑在深藍光OLED中的應用潛力，如4CzBN-PhCN和4tCzBN-PhCN作為敏化劑的TSF器件表現出高EQE和長操作壽命。通過這些工作，作者驗證了引入輔助受體以提高TADF材料穩定性的設計策略的有效性，為開發高效、長壽命的深藍光OLED提供了新的思路。

原文詳情：

Delocalizing electron distribution in thermally activated delayed fluorophors for high-efficiency and long-lifetime blue electroluminescence. Nature Materials (2024).

DOI: 10.1038/s41563-024-02004-w

本文由尼古拉斯供稿