近日，中国科学技术大学崔林松教授团队提出了一种基于激发态与空间位阻协同调控策略，成功解决了MR-TADF分子聚集和激子淬灭问题，并设计合成出一系列新型蓝光和绿光MR-TADF分子。相关研究成果以《Excited-State and Steric Hindrances Engineering Enable Fast Spin-Flip Narrowband Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters with Enhanced Quenching Resistance》为题，于2025年1月8日在线发表于期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上。
有机电致发光二极管（OLED）凭借其自发光、超轻薄、低功耗等显著优势，已成为新一代高品质显示与照明领域的引领性技术。其中，发光材料是OLED器件的核心功能材料，直接决定器件的发光效率、色纯度及寿命等关键性能。近年来，多重共振热致延迟荧光（MR-TADF）材料由于其高发光效率与窄发光半峰宽，在实现高效率、高色纯度OLED方面展现出巨大潜力。然而，受其刚性平面结构和原子定域化前线分子轨道分布限制，目前报道的大多数MR-TADF分子仍面临严重的分子聚集和三线态激子淬灭，极大制约了器件性能的进一步提升，不利于MR-TADF材料的商业化进程。因此，抑制MR-TADF分子的聚集和三线态激子淬灭，成为实现高色纯度、高发光效率及高稳定性MR-TADF OLED器件的关键科学挑战。
针对上述问题，研究团队创新性地提出了一种基于激发态与空间位阻协同调控策略，即将多个咔唑给体基团引入到MR母核中，设计并合成了新型蓝光和绿光MR-TADF分子5Cz-BNO和5Cz-BN（见图1）。这一策略不仅有助于提升MR-TADF分子的反向系间窜跃速率（kRISC），克服了三线态激子淬灭，还有效抑制了分子间紧密堆积，缓解了其在高掺杂浓度下的光谱展宽问题（见图2）。基于5Cz-BNO和5Cz-BN的蓝光和绿光OLED器件不仅展现出较低的效率滚降和优越的器件稳定性，而且在提高掺杂浓度的情况下，其发射光谱展宽也得到了明显抑制。
图1. 相关分子结构和设计策略
图2. 相关分子的稳态和瞬态发射光谱
理论计算结果表明，5Cz-BNO和5Cz-BN的S1和T1态均表现出短程电荷转移（SRCT）特性，确保了其窄的发射光谱。此外，引入多个咔唑基团诱导高能级长程电荷转移激发态（LRCT）的形成，有助于增强单线态与三线态之间的自旋轨道耦合，从而促进kRISC的提升，解决了三线态激子的淬灭问题。此外，单晶分析结果显示，多咔唑基团的引入使分子构型更加扭曲，有效抑制了分子间的紧密堆积和π-π相互作用（见图3）。相关的系间窜跃和反系间窜跃过程通过时间分辨荧光与吸收光谱得到了进一步验证（见图4）。
图3. 相关分子的理论计算及单晶结果
图4. 相关分子的瞬态吸收光谱
最终，基于5Cz-BNO和5Cz-BN分子制备的OLED器件实现了高达30%的外量子效率（EQE），并表现出较低的效率滚降和优越的器件稳定性。在提高掺杂浓度的情况下，器件仍能保持较高的EQE，同时有效抑制了电致发射光谱的展宽。此外，通过敏化策略进一步优化，绿光敏化器件的寿命（LT70）达到1150小时，展现出优异的器件性能（见图5）。
本研究通过协同调控激发态和空间位阻，解决了MR-TADF分子聚集和激子淬灭的问题，实现了在高掺杂浓度下保持高效稳定的蓝光和绿光OLED器件的制备，为MR-TADF OLED器件未来的产业化提供了新的设计思路。
图5. 相关分子的OLED器件结构与性能
中国科学技术大学博士研究生安芮芝为本论文的第一作者，中国科学技术大学崔林松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。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202420489