中国科大提出OLED蓝光材料设计新策略

　　近日，中国科学技术大学崔林松教授团队与英国剑桥大学Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大学柳渊教授合作，提出了高色纯度深蓝色有机发光材料设计新策略，开发了一系列色纯度接近BT.2020蓝光标准的高效深蓝色发光材料，在深蓝色有机电致发光二极管(OLED)色纯度和效率方面实现新的突破，有望解决未来4K/8K超高清显示技术领域蓝光色纯度的重要瓶颈。相关研究成果以《Excited-state Engineering Enables Efficient Deep-blue Light-emitting Diodes Exhibiting BT.2020 Color Gamut》为题，于2024年4月10日在线发表于期刊《Advanced Materials》上。
 

　　OLED作为新一代显示技术，具有自发光、高分辨率、高柔性、低功耗和超轻薄等诸多优势，在智能手机、智能穿戴设备以及VR等产品的屏幕上得到广泛应用。发光材料是OLED器件的核心，对器件的发光性能，包括发光效率、色纯度和器件寿命等方面有着重要影响。因此，设计和开发高性能有机发光材料一直是OLED领域的研究重点和难点。其中，蓝光材料的开发尤为关键，因为它不仅能提供显示和照明所需的蓝光，还可以通过能量转移过程产生红光和绿光。当前，显示技术的目标是实现BT.2020超高清色域标准，该标准规定了蓝光的标准色坐标(CIE)为(0.131, 0.046)，以满足4K/8K超高分辨率显示的需求，这对蓝色发光材料的设计提出了新的挑战。
 

　　研究团队创新性地提出了高色纯度深蓝色OLED材料设计新策略，即将多个咔唑给体基团引入到多重共振(MR)型电子受体单元中，形成杂化的长程和短程电荷转移激发态。基于此策略设计的蓝光分子不仅具有短程电荷转移激发态窄谱带发射的特征，而且引入的长程电荷转移激发态有利于降低分子的单/三线态能级差，从而大幅提升分子的反向系间窜跃速率(见图一)。
 

图一：深蓝光TADF分子的稳态和瞬态发射光谱
 

　　理论计算结果进一步表明，MR型电子受体单元表现出短程电荷转移激发态特征，而多个咔唑给体基团的引入形成了长程电荷转移激发态。其中，短程电荷转移激发态能够有效抑制分子激发态下的结构弛豫，从而实现深蓝光的窄带发射；而长程电荷转移激发态则能进一步减小分子的单/三线态能级差，同时增强单/三线态之间的自旋轨道耦合，进而大幅提升分子的反向系间窜跃速率(见图二)。相关ISC和RISC过程通过瞬态吸收光谱得到了进一步验证(见图三)。此外，对于MR型电子受体单元，其刚性且平面的结构易在高浓度掺杂时发生堆积，产生较强的分子间相互作用，最终导致分子发光的红移与展宽。然而，在此策略中，多个咔唑给体基团的引入带来了大的位阻效应可以有效抑制MR受体单元的堆积，使该分子在高掺杂浓度下依然保持深蓝光窄带发射。
 

图二：深蓝光TADF分子的理论计算结果
 

图三：深蓝光TADF分子的瞬态吸收光谱
 

　　最终，基于5Cz-BO分子制备的OLED器件实现了22.8%的最大外量子效率，其CIE值为(0.163, 0.046)，CIEy值已非常接近目前的BT.2020蓝光标准，从而在效率和色纯度方面实现了深蓝光OLED器件的新突破。同时，由于5Cz-BO具有较高的反向系间窜跃速率，可以作为敏化剂使用，最终敏化器件的最大外量子效率高达33.1%，使深蓝光敏化器件表现出了巨大的发展潜力(见图四)。
 

图四：深蓝光OLED器件的结构与性能
 

　　中国科学技术大学博士研究生安芮芝以及剑桥大学孙雨琦博士为本论文的共同第一作者，中国科学技术大学崔林松教授、英国剑桥大学Alexander J. Gillett博士以及北京信息科技大学柳渊教授为本论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”专项基金、中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心以及中国科学技术大学超级计算中心等支持。