中國科大提出OLED藍(lán)光材料設(shè)計(jì)新策略

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授團(tuán)隊(duì)與英國劍橋大學(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，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，還可以通過能量轉(zhuǎn)移過程產(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)能級差，從而大幅提升分子的反向系間竄躍速率(見圖一)。
 

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(見圖二)。相關(guān)ISC和RISC過程通過瞬態(tài)吸收光譜得到了進(jìn)一步驗(yàn)證(見圖三)。此外，對于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?見圖四)。
 

圖四：深藍(lán)光OLED器件的結(jié)構(gòu)與性能
 

　　中國科學(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，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授、英國劍橋大學(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。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”專項(xiàng)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級計(jì)算中心等支持。