中國科大提出解決MR-TADF分子聚集和激子淬滅問題新策略

近日，中國科學技術大學崔林松教授團隊提出了一種基于激發(fā)態(tài)與空間位阻協(xié)同調控策略，成功解決了MR-TADF分子聚集和激子淬滅問題，并設計合成出一系列新型藍光和綠光MR-TADF分子。相關研究成果以《Excited-State and Steric Hindrances Engineering Enable Fast Spin-Flip Narrowband Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters with Enhanced Quenching Resistance》為題，于2025年1月8日在線發(fā)表于期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

有機電致發(fā)光二極管（OLED）憑借其自發(fā)光、超輕薄、低功耗等顯著優(yōu)勢，已成為新一代高品質顯示與照明領域的引領性技術。其中，發(fā)光材料是OLED器件的核心功能材料，直接決定器件的發(fā)光效率、色純度及壽命等關鍵性能。近年來，多重共振熱致延遲熒光（MR-TADF）材料由于其高發(fā)光效率與窄發(fā)光半峰寬，在實現(xiàn)高效率、高色純度OLED方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，受其剛性平面結構和原子定域化前線分子軌道分布限制，目前報道的大多數(shù)MR-TADF分子仍面臨嚴重的分子聚集和三線態(tài)激子淬滅，極大制約了器件性能的進一步提升，不利于MR-TADF材料的商業(yè)化進程。因此，抑制MR-TADF分子的聚集和三線態(tài)激子淬滅，成為實現(xiàn)高色純度、高發(fā)光效率及高穩(wěn)定性MR-TADF OLED器件的關鍵科學挑戰(zhàn)。

針對上述問題，研究團隊創(chuàng)新性地提出了一種基于激發(fā)態(tài)與空間位阻協(xié)同調控策略，即將多個咔唑給體基團引入到MR母核中，設計并合成了新型藍光和綠光MR-TADF分子5Cz-BNO和5Cz-BN（見圖1）。這一策略不僅有助于提升MR-TADF分子的反向系間竄躍速率（kRISC），克服了三線態(tài)激子淬滅，還有效抑制了分子間緊密堆積，緩解了其在高摻雜濃度下的光譜展寬問題（見圖2）?；?Cz-BNO和5Cz-BN的藍光和綠光OLED器件不僅展現(xiàn)出較低的效率滾降和優(yōu)越的器件穩(wěn)定性，而且在提高摻雜濃度的情況下，其發(fā)射光譜展寬也得到了明顯抑制。

圖1.相關分子結構和設計策略

圖2.相關分子的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)發(fā)射光譜

理論計算結果表明，5Cz-BNO和5Cz-BN的S1和T1態(tài)均表現(xiàn)出短程電荷轉移（SRCT）特性，確保了其窄的發(fā)射光譜。此外，引入多個咔唑基團誘導高能級長程電荷轉移激發(fā)態(tài)（LRCT）的形成，有助于增強單線態(tài)與三線態(tài)之間的自旋軌道耦合，從而促進kRISC的提升，解決了三線態(tài)激子的淬滅問題。此外，單晶分析結果顯示，多咔唑基團的引入使分子構型更加扭曲，有效抑制了分子間的緊密堆積和π-π相互作用。相關的系間竄躍和反系間竄躍過程通過時間分辨熒光與吸收光譜得到了進一步驗證。

最終，基于5Cz-BNO和5Cz-BN分子制備的OLED器件實現(xiàn)了高達30%的外量子效率（EQE），并表現(xiàn)出較低的效率滾降和優(yōu)越的器件穩(wěn)定性。在提高摻雜濃度的情況下，器件仍能保持較高的EQE，同時有效抑制了電致發(fā)射光譜的展寬。此外，通過敏化策略進一步優(yōu)化，綠光敏化器件的壽命（LT70）達到1150小時，展現(xiàn)出優(yōu)異的器件性能。

本研究通過協(xié)同調控激發(fā)態(tài)和空間位阻，解決了MR-TADF分子聚集和激子淬滅的問題，實現(xiàn)了在高摻雜濃度下保持高效穩(wěn)定的藍光和綠光OLED器件的制備，為MR-TADF OLED器件未來的產(chǎn)業(yè)化提供了新的設計思路。