中國(guó)科大提出oled藍(lán)光材料設(shè)計(jì)新策略

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授團(tuán)隊(duì)與英國(guó)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(lán)色有機(jī)發(fā)光材料設(shè)計(jì)新策略，開發(fā)了一系列色純度接近bt.2020藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的高效深藍(lán)色發(fā)光材料，在深藍(lán)色有機(jī)電致發(fā)光二極管（oled）色純度和效率方面實(shí)現(xiàn)新的突破，有望解決未來(lái)4k/8k超高清顯示技術(shù)領(lǐng)域藍(lán)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(shì)，在智能手機(jī)、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(duì)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(jì)和開發(fā)高性能有機(jī)發(fā)光材料一直是oled領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。其中，藍(lán)光材料的開發(fā)尤為關(guān)鍵，因?yàn)樗粌H能提供顯示和照明所需的藍(lán)光，還可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程產(chǎn)生紅光和綠光。當(dāng)前，顯示技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)bt.2020超高清色域標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了藍(lán)光的標(biāo)準(zhǔn)色坐標(biāo)（cie）為（0.131, 0.046），以滿足4k/8k超高分辨率顯示的需求，這對(duì)藍(lán)色發(fā)光材料的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了高色純度深藍(lán)色oled材料設(shè)計(jì)新策略，即將多個(gè)咔唑給體基團(tuán)引入到多重共振（mr）型電子受體單元中，形成雜化的長(zhǎng)程和短程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)?；诖瞬呗栽O(shè)計(jì)的藍(lán)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(zhǎng)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(jí)差，從而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見(jiàn)圖一）。

圖一：深藍(lán)光tadf分子的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)發(fā)射光譜

理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(gè)咔唑給體基團(tuán)的引入形成了長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)深藍(lán)光的窄帶發(fā)射；而長(zhǎng)程電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)則能進(jìn)一步減小分子的單/三線態(tài)能級(jí)差，同時(shí)增強(qiáng)單/三線態(tài)之間的自旋軌道耦合，進(jìn)而大幅提升分子的反向系間竄躍速率（見(jiàn)圖二）。相關(guān)isc和risc過(guò)程通過(guò)瞬態(tài)吸收光譜得到了進(jìn)一步驗(yàn)證（見(jiàn)圖三）。此外，對(duì)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(shí)發(fā)生堆積，產(chǎn)生較強(qiáng)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(gè)咔唑給體基團(tuán)的引入帶來(lái)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(lán)光窄帶發(fā)射。

圖二：深藍(lán)光tadf分子的理論計(jì)算結(jié)果

圖三：深藍(lán)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(shí)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(lán)光標(biāo)準(zhǔn)，從而在效率和色純度方面實(shí)現(xiàn)了深藍(lán)光oled器件的新突破。同時(shí)，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(dá)33.1%，使深藍(lán)光敏化器件表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Γㄒ?jiàn)圖四）。

圖四：深藍(lán)光oled器件的結(jié)構(gòu)與性能

中國(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授、英國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”專項(xiàng)基金、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心等支持。

論文鏈接：

(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、精準(zhǔn)智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院軟物質(zhì)化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科研部)