近日，中国科学技术大学崔林松教授团队与周蒙教授团队以及北京信息科技大学柳渊教授团队合作，提出了纯红光OLED材料设计新策略，开发了色纯度接近NTSC红光标准的纯红光发光材料，在纯红光有机电致发光二极管（OLED）效率和稳定性方面实现新的突破。相关研究成果以“Efficient and Stable Narrowband Pure-Red Light-Emitting Diodes with Electroluminescence Efficiencies Exceeding 43%”为题，于11月13日在线发表于期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
OLED凭借其超薄结构、高柔性和自发光等特性，正迅速崭露头角，成为新一代高品质显示与照明领域引领性技术。在OLED中，发光材料是关键功能材料，直接决定器件的性能。目前，蓝光和绿光发光材料的效率已经取得了显著进展，基本满足商业化应用需求。然而，受“能隙”定律的制约，发光能隙越窄，非辐射跃迁越强，这使得高发光效率与深红光发射之间难以兼得，严重制约了OLED显示技术的商业发展。因此，如何提升深红光发光材料的辐射跃迁速率和反向系间窜跃速率，是实现高发光效率和高性能纯红光OLED器件的关键科学问题。
研究团队成员围绕这一关键问题，创新性地提出了高发光效率、高色纯和高稳定性的纯红光OLED材料设计新策略。该策略通过在多重共振（MR）单元中引入二级给电子基团，并进一步延展其π骨架，形成不对称的杂化长程和短程电荷转移激发态（图1）。基于该策略设计的分子不仅展现出纯红光发光特性，而且引入的长程电荷转移激发态有助于降低单线态与三线态之间的能级差。同时，融合不对称的咔唑单元增大了自旋轨道耦合（SOC），显著提升了反向系间窜跃速率，并提高了辐射跃迁速率。（见图2）。
图1：相关分子结构与设计策略
图2：相关分子的稳态和瞬态发射光谱
理论计算结果进一步表明，第一激发单重态（S1）呈现以短程电荷转移为主的不对称的杂化长程和短程电荷转移激发态。其中，基于MR母核的短程电荷转移态特性赋予S1态大于0.4的振子强度，从而加速了辐射速率（kr = 2.17×107 s-1）。此外，短程电荷转移主导的S1态结合刚性的分子骨架，使发光半峰宽保持在较窄范围内（FWHM=0.14 eV）。与此同时，额外引入的长程电荷转移特性有效缩小了单/三线态能级差，并通过不对称咔唑单元显著增强了自旋轨道耦合（SOC），大幅提升了反向系间窜跃速率（kRISC=1.61×10⁵ s⁻¹）（见图3）。相关系间窜跃和反向系间窜跃的动力学过程进一步通过瞬态吸收光谱得到了验证（见图4）。
图3：相关分子的理论计算结果
图4：纯红色分子的瞬态吸收光谱
基于BNTPA分子作为发光材料制备的OLED器件实现了35.2%的最大外量子效率，其CIE值为（0.657, 0.343），与NTSC红光标准（0.67，0.33）非常接近，实现了纯红光OLED的新突破。此外，利用BNTPA作为发光材料的磷光敏化器件达到了43.3%的外量子效率（见图5），并显著提升了器件的稳定性，创下了目前红光OLED器件的最高效率水平。所提出的设计策略为开发高效的纯红色MR-TADF分子提供了新的思路。
图5：纯红色OLED器件的结构与性能
中国科学技术大学博士生葛丽爽、特任副研究员张伟为本工作并列第一作者。崔林松教授、周蒙教授、柳渊教授为该项成果的并列通讯作者。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、中国科学技术大学超级计算中心以及北京并行科技股份有限公司高性能计算平台等支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13375